СКОЛЬЗЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, В ЧАСТНОСТИ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО, С ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2014 года по МПК C23C28/00 C23C16/22 F16J9/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу с покрытием по меньшей мере на одной поверхности скольжения.

Скользящие элементы, такие как, например, поршневые кольца, поршни или гильзы цилиндра в двигателях внутреннего сгорания, должны работать в течение длительного срока службы как при максимально низком трении, так и с низким истиранием. Правда, трение, которое в двигателях внутреннего сгорания напрямую сопровождается расходом топлива, можно удерживать низким благодаря покрытиям из DLC (diamond-like carbon - алмазоподобного углерода). Кроме того, в принципе можно достичь толщин слоя до 40 мкм. Однако при толщинах слоя больше 5 мкм возникает проблема изменения свойств слоя, например, в отношении структуры и состава слоя, так что требуемая долговечность не достигается. Это справедливо в равной степени для толщины слоя менее 5 мкм.

Уровень техники

В этой связи известны, кроме того, PVD-покрытия (нанесенные методом физического осаждения из паровой фазы) на основе твердых материалов, которые чаще всего содержат нитрид хрома. Однако, хотя такие слои имеют требуемую износостойкость, они не имеют необходимого низкого коэффициента трения.

Из DE 102005063123 B3 известен скользящий элемент с DLC-покрытием с хорошей прирабатываемостью. Тем не менее, в целом продолжительность сохранения низких коэффициентов трения можно еще улучшить.

Документ DE 102008016864 относится к скользящему элементу с покрытием, которое в направлении изнутри наружу содержит адгезионный слой, металлосодержащий DLC-слой и не содержащий металла DLC-слой.

В DE 19735962 Al раскрыта направляющая гильза и способ образования твердой углеродной пленки на внутренней поверхности направляющей гильзы, где методом CVD (химического осаждения из паровой фазы с поддержкой плазмой) на внутренней поверхности образована твердая углеродная пленка из гидрированного, аморфного углерода.

Наконец, в документе WO 2006/125683 A1 показано поршневое кольцо, которое в направлении изнутри наружу содержит слой с элементом группы IVB, VB или VIB, промежуточный слой с алмазоподобным нанокомпозитным составом и DLC-слой.

Сущность изобретения

На этом фоне в основе изобретения стоит задача разработать скользящий элемент, который еще больше улучшен в отношении комбинации коэффициента трения и характеристик износа.

Эта задача решена скользящим элементом, описанным в пункте 1 формулы изобретения.

В соответствии с этим элемент имеет по меньшей мере на одной поверхности скольжения покрытие, которое в направлении изнутри наружу содержит адгезионный слой, металлосодержащий, в частности, содержащий вольфрам, DLC-слой и не содержащий металла DLC-слой, причем отношение толщин не содержащего металла и металлосодержащего DLC-слоев составляет от 0,7 до 1,5, и/или отношение толщины не содержащего металла DLC-слоя к полной толщине покрытия составляет от 0,4 до 0,6. Адгезионный слой предпочтительно является хромовым адгезионным слоем. Металлосодержащий DLC-слой включает аморфный углерод и может быть обозначен как a-C:H:Me, а DLC-слой, предпочтительно содержащий вольфрам, может быть обозначен как a-C:H:W. Наружный, или верхний, слой также содержит аморфный углерод и может быть указан как a-C:H. При описанных значениях устанавливаются особенно хорошие свойства в отношении трения и истирания. На эти трибологические свойства в целях повышения срока службы можно повлиять более толстым верхним слоем. Однако если он становится слишком толстым по сравнению со средним слоем, ухудшается износостойкость. Особенно хорошую износостойкость удается установить, когда средний и верхний слой имеют почти одинаковую толщину, то есть здесь предпочтительным является отношение толщин примерно 1,0, в частности от 0,9 до 1,1, или отношение толщины верхнего слоя к полной толщине примерно 0,5, в частности от 0,45 до 0,55. Что касается трения, для покрытий в пределах названных диапазонов удалось установить коэффициенты трения, которые хорошо соответствуют требованиям, установленным для двигателя внутреннего сгорания, и которые, в частности, по существу не меняются. Напротив, вне этих диапазонов уже через короткое время устанавливаются высокие максимумы коэффициента трения и непостоянная характеристика трения.

Как объяснение такому поведению, хотя изобретение этим не ограничивается, в настоящее время принимается, что не содержащий металла DLC-слой сначала вносит очень высокие внутренние напряжения во всю систему, то есть все покрытия, которые при толщине металлосодержащего DLC-слоя, которая близка к толщине наружного слоя, могут быть компенсированы таким образом, чтобы покрытие было образовано оптимально в отношении комбинации прочности и вязкости. Таким образом, скользящий элемент с этим покрытием, в частности поршневое кольцо, имеет хорошее сопротивление износу. При отношении толщин не содержащего металла и металлосодержащего DLC-слоев <0,7 и/или при отношении толщины верхнего слоя к полной толщине <0,4 скользящий элемент имеет слишком низкий срок службы, так как наружный, не содержащий металла, DLC-слой хотя и имеет высокую износостойкость, но имеет слишком низкую толщину слоя. Напротив, при отношении толщин не содержащего металла и металлосодержащего DLC-слоев >1,5 и/или при отношении толщины верхнего слоя к толщине всего слоя >0,6 толщины металлосодержащего DLC-слоя недостаточно, чтобы компенсировать внутренние напряжения. Это ведет к преждевременному износу DLC-слоя в целом, несмотря на большую толщину наружного слоя, или к отслаиванию DLC-слоя из-за высоких нагрузок при эксплуатации.

Хотя покрытие образовано по меньшей мере на одной поверхности скольжения скользящего элемента, по меньшей мере частично, оно может распространяться на всю поверхность скольжения и, в частности, может быть образовано также на поверхностях, всех или части, которые граничат с поверхностью скольжения, как, например, боковые поверхности поршневого кольца и/или на переходе от поверхности скольжения к прилегающим к ней поверхностям.

Предпочтительные усовершенствования скользящего элемента согласно изобретению описаны в следующих пунктах формулы изобретения.

В качестве основного материала скользящего элемента, в частности поршневого кольца, в настоящее время предпочтительны чугун или сталь. Для этих материалов можно достичь особенно хороших свойств.

Что касается твердости слоя, предпочтительны значения от 1700 до 2900 HV0.02 для не содержащего металла (a-C:H-, верхний) DLC-слоя и/или от 800 до 1600 HV0.02 для металлосодержащего (a-C:H:Me-) DLC-слоя, так как при этих значениях удалось достичь хорошего соответствия требованиям.

Как металлосодержащий, так и не содержащий металла DLC-слой может включать водород, что благоприятно показало себя в испытаниях.

Кроме того, для содержащего вольфрам DLC-слоя предпочтительно, чтобы он содержал нанокристаллические включения карбида вольфрама, что также благоприятно отражается на свойствах.

Для толщины адгезионного слоя, который, в частности, является хромовым адгезионным слоем, предпочтительно значение максимум 1 мкм.

Чтобы особенно хорошо достичь описанного баланса между коэффициентом трения и характеристиками истирания, предпочтительна полная толщина покрытия от 5 мкм до 40 мкм.

Для эффективного формирования покрытия в настоящее время для адгезионного слоя предпочтительно, чтобы он был образован напылением металла методом испарения.

Кроме того, благоприятное с точки зрения металлосодержащего и/или не содержащего металла DLC-слоя получение покрытия согласно изобретению гарантируется, если эти слои образованы методом PA-CVD (химическим осаждением из паровой фазы, активированного плазмой).

Краткое описание чертежей

Далее с обращением к чертежам подробнее поясняются предпочтительные примеры осуществления изобретения. Показано:

Фиг.1: схематическая структура покрытия согласно изобретению.

Фиг.2: иллюстрация относительного износа для двух примеров согласно изобретению и одного сравнительного примера.

Фиг.3: иллюстрация относительных коэффициентов трения для двух примеров согласно изобретению и одного сравнительного примера.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Как схематически показано на фиг.1, покрытие согласно изобретению содержит в направлении изнутри наружу адгезионный слой 10, средний слой 12 и верхний слой 14, толщины которых и отношения толщин лежат в указанном выше диапазоне.

Примеры

Свойства покрытия согласно изобретению были испытаны на двух примерах и одном сравнительном примере. Опыты проводились со следующими покрытиями:

Пример 1 2 3 Отношение средний слой/верхний слой 0,71 2,40 1,08 Доля верхнего слоя от всего слоя 0,42 0,71 0,52

При этом, говоря о примерах 1 и 3, речь идет о примерах согласно изобретению, а пример 2 является сравнительным примером. Исследования проводились для системы "поршневое кольцо/смазанная хонингованная гильза цилиндра из серого чугуна". На фиг.2 показаны относительные коэффициенты износа поршневых колец. Как можно видеть на фиг.2, примеры согласно изобретению обнаруживают заметно более низкий износ, чем сравнительный пример 2, в частности, составляющий всего примерно 20% или меньше от износа, наступившего в сравнительном примере 2.

Кроме того, как показывает фиг.3, коэффициент трения в примерах согласно изобретению по существу не изменяется со временем, тогда как для сравнительного примера коэффициент трения имеет более высокое значение в течение всего процесса и содержит очень высокие максимумы. Во-вторых, коэффициент трения имеет сильные колебания. Кроме того, можно говорить об отказе покрытия, соответствующего этому сравнительному примеру, до окончания периода испытаний.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу с покрытием по меньшей мере на одной поверхности скольжения, которое в направлении изнутри наружу содержит адгезионный слой (10), металлосодержащий, предпочтительно содержащий вольфрам, DLC-слой (12) и не содержащий металла DLC-слой (14). Толщина не содержащего металла DLC-слоя имеет отношение от 0,7 до 1,5 к толщине металлосодержащего DLC-слоя и/или отношение от 0,4 до 0,6 к полной толщине покрытия, при этом полная толщина покрытия составляет от 5 мкм до 40 мкм. Обеспечивается улучшенный скользящий элемент в отношении комбинации коэффициента трения и характеристик износа. 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.

1. Поршневое кольцо с покрытием по меньшей мере на одной поверхности скольжения, которое в направлении изнутри наружу содержит адгезионный слой (10), металлосодержащий, предпочтительно содержащий вольфрам, DLC-слой (12) и не содержащий металла DLC-слой (14), отличающееся тем, что толщина не содержащего металла DLC-слоя имеет отношение от 0,7 до 1,5 к толщине металлосодержащего DLC-слоя и/или отношение от 0,4 до 0,6 к полной толщине покрытия, при этом полная толщина покрытия составляет от 5 мкм до 40 мкм.

2. Поршневое кольцо по п.1, отличающееся тем, что оно в качестве основного материала содержит чугун или сталь.

3. Поршневое кольцо по пп.1 или 2, отличающееся тем, что не содержащий металла DLC-слой имеет твердость от 1700 до 2900 HV0.02 и/или металлосодержащий DLC-слой имеет твердость от 800 до 1600 HV0.02.

4. Поршневое кольцо по пп.1 или 2, отличающееся тем, что металлосодержащий и/или не содержащий металла DLC-слой содержит водород.

5. Поршневое кольцо по пп.1 или 2, отличающееся тем, что содержащий вольфрам DLC-слой содержит нанокристаллические осадки карбида вольфрама.

6. Поршневое кольцо по п.1, отличающееся тем, что адгезионный слой, в частности хромовый адгезионный слой, имеет толщину максимум 1 мкм.

7. Поршневое кольцо по п.1, отличающееся тем, что адгезионный слой получен напылением металла методом испарения.

8. Поршневое кольцо по пп.1 или 2, отличающееся тем, что металлосодержащий и/или не содержащий металла DLC-слой образован методом химического осаждения из паровой фазы, активизированного плазмой (PA-CVD).