СКОЛЬЗЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ ИЗ АЛМАЗОПОДОБНОГО УГЛЕРОДА Российский патент 2016 года по МПК F02F5/00 C23C30/00 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу, с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке.

Предшествующий уровень техники

В основном, поршневые кольца используют в высоко нагруженных двигателях, которые должны иметь износостойкие, насколько возможно, покрытия скользящих поверхностей, поэтому часто используют покрытия (RU 2134810) на основе твердых материалов, нанесенные осаждением паров, и покрытия из алмазоподобного углерода. Хотя покрытия, нанесенные осаждением паров, являются относительно стойкими к действию износа, они, вместе с тем, не дают необходимых низких коэффициентов трения, которые должны приводить к требуемым в настоящее время минимальным потерям на трение в двигателе и, таким образом, к требуемому в настоящее время минимальному расходу топлива. По данной причине использование покрытия из алмазоподобного углерода является часто предпочтительным.

Аалмазоподобный углерод (аббревиатурой DLC) является аморфным алмазоподобным углеродом, отличающимся особыми свойствами, такими как хорошая стойкость к абразивному и адгезивному износу, защита против отслаивания поверхности, химическая устойчивость и хорошая теплопроводность и механические свойства (твердость и модуль упругости). Высокие твердости получают, в частности, для систем покрытий из алмазоподобного углерода с большой долей sp³-гибридизированных атомов углерода, мольная доля которых составляет больше 60 процентов. Данное вещество также называют аморфным углеродом с тетраэдрическими связями (ta-C). В дополнение, вместе с тем, также используют слои из алмазоподобного углерода, имеющего более низкую долю sp³-гибридизированных атомов углерода, и являющиеся менее твердыми, чем слои системы ta-C, например, систем алмазоподобного углерода, содержащих водород и металлы.

Недостатком при использовании для поршневых колец известных покрытий из алмазоподобного углерода при их высокой твердости является то, что их упругость и пластичность и поэтому их способность демпфировать срезающие усилия является весьма низкой в сравнении с относительно мягкими слоями. Данное означает, что особенно в так называемом периоде обкатки двигателя, даже очень незначительная неровность на поверхности скользящего элемента или соединенной с ним детали, по которой элемент скользит, может приводить к отслаиванию поверхности покрытия и, следовательно, к разрушению покрытия из алмазоподобного углерода даже при малых давлениях на поверхности.

Недостатком мягкого слоя алмазоподобного углерода, с другой стороны, является слишком низкая износоустойчивость, так что уже после относительно короткого срока службы слой алмазоподобного углерода изнашивается, и низкий коэффициент трения, создаваемый им, может больше не поддерживаться.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения, поэтому, является создание скользящего элемента с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке, который имеет низкий коэффициент трения, а также высокую износостойкость и, в результате, может также допускать небольшую неровность на поверхности соединенной с ним детали, по которой элемент скользит, без значительного повреждения.

Данную задачу решает объект п.1 и способ по п.7 формулы изобретения. Дополнительно, предпочтительные варианты осуществления изобретения рассмотрены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению, скользящий элемент, в частности, поршневое кольцо, с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке отличается тем, что более мягкий материал, чем алмазоподобный углерод, включают в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, которой скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой элемент скользит. Соединенная с элементом деталь, в данном случае, элемент, по которому скользящий элемент должен скользить, например, в случае поршневого кольца является стенкой цилиндра соответствующего поршня.

Благодаря включению более мягкого материала в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, в частности, критический процесс обкатки поршневого кольца для образования, так называемого, третьего тела может выполняться без каких-либо повреждений. Под так называемым третьим телом понимают слой в покрытии из алмазоподобного углерода, который образуется во время обкатки поршневого кольца на стенке цилиндра. Свойства третьего тела можно получить, в частности, из WO 2010/009862 A1. Эффект образования третьего тела также получают в скользящих элементах, не являющихся поршневыми кольцами.

В предпочтительном варианте осуществления более мягкий материал содержит металл или оксид металла, в частности железо или железохромовое соединение или их оксиды, являющиеся более мягкими, чем покрытие из алмазоподобного углерода. Данный вариант осуществления является предпочтительным, в частности, если рабочая поверхность цилиндра, другими словами, соединенной с элементом детали, по которой элемент скользит, имеет покрытие из соответствующего металла или оксида металла. В секторе двигателей внутреннего сгорания все чаще используют в качестве поверхностей, по которым скользят поршневые кольца, проточки с термическим нанесением покрытия на основе железа, которое содержит железоуглеродные сплавы или железохромовые сплавы или т.п. Оксиды металлов можно также включать в состав покрытия с помощью способа термического напыления с надлежащим образом подобранными параметрами для улучшения износостойкости. Выполнение скользящего элемента в данном предпочтительном варианте осуществления означает, что специально предусматривают переход материала между покрытием из алмазоподобного углерода скользящего элемента соединенной с ним деталью, по которой элемент скользит во время процесса обкатки, и процесс обкатки может поэтому осуществляться без каких-либо повреждений или опасности.

Предпочтительно, покрытие из алмазоподобного углерода содержит аморфный углерод с тетраэдрическими связями (ta-C), поскольку он отличается особенно высокой твердостью и, при этом, износостойкостью.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления поверхность покрытия из алмазоподобного углерода содержит более мягкий материал в количестве 50-60%, предпочтительно 20-40%, ее площади. Данная концентрация по площади более мягкого материала, в частности, металла или оксида металла, дает наилучшие возможные величины износа и трения. Обследованиями, проведенными снаружи и внутри двигателя, установлено, что высокая доля более мягкого материала увеличивает риск микросварки и поэтому задиров, а также опасность выхода из строя покрытия из алмазоподобного углерода вследствие слишком быстрого износа более мягкого материала, что может приводить к увеличенному износу и даже отслаиванию слоя покрытия. Слишком низкая доля более мягкого материала в поверхности покрытия из алмазоподобного углерода означает, с другой стороны, что необходимый эффект увеличения упругости и пластичности покрытия из алмазоподобного углерода и, таким образом, увеличение способности демпфировать срезающие усилия являются недостаточными, поскольку оптимальная обкатка для обеспечения жизненного цикла покрытия больше не гарантируется. Вышеупомянутая доля, отнесенная к площади, подтвержденно является предпочтительной в обоих отношениях.

Зона покрытия из алмазоподобного углерода, в которую включают более мягкий материал, предпочтительно проходит от поверхности до глубины 1 мкм, предпочтительно до глубины 0,5 мкм, в покрытии из алмазоподобного углерода. Данная глубина включения более мягкого материала в покрытие из алмазоподобного углерода приводит к оптимальному режиму работы поршневых колец с покрытием из алмазоподобного углерода при обкатке, поскольку низкий уровень интенсивности износа, а также низкий коэффициент трения покрытия из алмазоподобного углерода может в таком случае поддерживаться в максимальной степени.

Кроме того, поверхность, предпочтительно, имеет возможно наиболее низкую шероховатость, которую можно задавать с помощью усредненной глубины R_z шероховатости меньше 2 мкм, предпочтительно меньше 1 мкм, и/или уменьшенной высоты R_РК максимума меньше 0,15 мкм, предпочтительно меньше 0,1 мкм. Таким путем число возникающих точек высокого давления на поверхности можно поддерживать насколько возможно низким, что приводит к весьма хорошим скользящим свойствам.

В предпочтительном варианте осуществления твердость покрытия из алмазоподобного углерода за пределами зон, содержащих более мягкий материал, составляет 10-70 ГПа, предпочтительно 15-50 ГПа. Данная твердость обеспечивает низкий износ покрытия из алмазоподобного углерода и не препятствует действию улучшения упругости и, таким образом, увеличивает стойкость к срезающим усилиям, обусловленным дефектами поверхности. Покрытие из алмазоподобного углерода предпочтительно содержит водород и соответствует типу a-C:H, a-C:H:Me, ta-C:H или а-C:H:X. Здесь, Me является металлом, предпочтительно выбранным из хрома, вольфрама и титана, и X является неметаллом, предпочтительно выбранным из кремния, кислорода, азота и бора.

Альтернативно покрытие из алмазоподобного углерода, предпочтительно, соответствует типу ta-C или a-C и не содержит водород.

Два вышеупомянутых предпочтительных варианта скользящего элемента обеспечивают хорошую твердость и таким образом износостойкость и одновременно низкий коэффициент трения.

В предпочтительном варианте осуществления скользящий элемент включает в себя между подложкой и покрытием из алмазоподобного углерода предпочтительно металлосодержащий адгезивный слой, который, в частности, имеет толщину 0,1-1,0 мкм. Такой адгезивный слой улучшает адгезию покрытия из алмазоподобного углерода к подложке и, таким образом, дополнительно улучшает долговечность скользящего элемента.

Подложка предпочтительно выполнена из чугуна или стали, поскольку данные материалы особенно подходят для использования в поршневом кольце или сравнимом с ним скользящем элементе с учетом их прочности в сочетании с упругостью.

Способ согласно изобретению для получения скользящего элемента, описанного выше, отличается тем, что более мягкий материал, чем алмазоподобный углерод, включают в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода скользящего элемента, которое должно входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой элемент скользит. Более мягкий материал, предпочтительно металл или оксид металла, в частности железо или железохромовое соединение или его оксиды, поэтому включают в состав покрытия из алмазоподобного углерода после его нанесения на подложку.

Включение более мягкого материала в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода можно в данном случае предпочтительно выполнять, нанося покрытие или с помощью встраивания. Возможными способами встраивания являются обработка стальной щеткой, способ шлифовки стальной лентой или притирка. Покрытие подложки можно выполнять, например, с помощью способов напыления, металлизации напылением или электродугового осаждения из паровой фазы.

Независимым аспектом настоящего изобретения является использование одного из вышеупомянутых способов для снабжения поршневого кольца материалом, присутствующим на стенке цилиндра двигателя внутреннего сгорания, по которому поршневое кольцо скользит при штатном использовании. Данное использование следует отличать от способа, просто включающего в себя станочную обработку поверхности покрытия из алмазоподобного углерода, поскольку согласно изобретению материал, который включают в поверхность слоя алмазоподобного углерода, подбирают под будущую соединенную с ним деталь, по которой элемент, в частности, поршневое кольцо, скользит.

С помощью изобретения, сущность которого изложена выше, можно уменьшать трение между поршневым кольцом и стенкой цилиндра или, в общем, между скользящим элементом и соединенной с ним деталью, по которой элемент скользит, что является важным в двигателях внутреннего сгорания для уменьшения расхода топлива и поэтому весьма необходимо. Одновременно, скользящий элемент, согласно изобретению, является износостойким и устойчивым к неровностям на поверхности соединенной с ним детали, по которой элемент скользит так, например, что во время периода обкатки двигателя внутреннего сгорания нет опасности отслаивания на поверхности поршневого кольца.

Дополнительные преимущества, признаки и предпочтительные модификации изобретения даны ниже в формуле изобретения и описании с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана фотография с растрового электронного микроскопа предпочтительной поверхности с покрытием из алмазоподобного углерода.

На фиг.2 показан профиль распределения по глубине элемента покрытия из алмазоподобного углерода с включением металлов и оксидов металлов.

На фиг.3 показано сравнение величин износа двух покрытий из алмазоподобного углерода.

На фиг.4 показана диаграмма с кривой силы и кривой трения поршневых колец с покрытием из алмазоподобного углерода с металлическими включениями и без них.

Пути реализации изобретения

На фиг.1 показано изображение с растрового электронного микроскопа поверхности покрытия из алмазоподобного углерода 12 с включениями 14 металла/оксида металла в толщине первоначального слоя 12 мкм. Доля площади включений 14 металла/оксида металла в данном случае составляет 39%. Проведены испытания, в которых различные образцы снабжали включениями металла/оксида металла, доля площади которых варьировалось между 27,8% и 39%.

Образцы, снабженные включениями металла/оксида металла, демонстрировали значительно лучшие свойства в испытаниях на трение и износ, чем покрытия из алмазоподобного углерода без соответствующей обработки. Это можно видеть на фиг.3 и 4, кратко рассмотренных ниже.

На фиг.2 показаны профили распределения по глубине основных составляющих покрытия из алмазоподобного углерода, в состав поверхности которых включены железо и оксид железа. Доли соответствующих трех основных составляющих, углерода (C), кислорода (O) и железа (Fe) показаны по оси Y, и глубина слоя поверхности алмазоподобного углерода до 1 мкм отложена по оси X.

Как можно видеть из данной диаграммы, доли включения железа и оксида железа, которые можно измерить, проходят только до глубины 0,5 мкм. Ниже данной глубины покрытие из алмазоподобного углерода не показывает соответствующих включений железа или оксида железа.

На основе испытаний двигателей установлено, что включение металла/оксида металла до глубины 0,5 мкм является особенно эффективным. С другой стороны, долю металла в покрытии из алмазоподобного углерода не могли измерить после испытаний двигателя, продолжавшихся более 240 часов, с кольцевым износом, составляющим 0,7-1,0 мкм.

На фиг.3 показан относительный износ покрытия из алмазоподобного углерода без включений металла/оксида металла и с такими включениями. Покрытие из алмазоподобного углерода с включениями показано слева на диаграмме фиг.3. Диаграмма показывает, что износ покрытия из алмазоподобного углерода с включениями металла/оксида металла составляет только около 20% износа покрытия из алмазоподобного углерода без включений.

Износ измеряли с помощью так называемого вибрационно-фрикционного испытания на износ, в котором скользящий элемент вибрирует с постоянной нагрузкой и постоянной интенсивностью на смазанном противодействующем теле.

На фиг.4 показана дополнительная диаграмма, на которой изменение силы и изменение трения поршневых колец с покрытием из алмазоподобного углерода с включением металла/оксида металла и без такого включения показаны в зависимости от времени.

Здесь непрерывная кривая показывает изменение трения покрытия из алмазоподобного углерода без включений металла/оксида металла, точечная кривая показывает изменение трения покрытия из алмазоподобного углерода с включениями металла/оксида металла, и пунктирная кривая показывает изменение силы в зависимости от времени.

На фиг.4 можно видеть, что покрытие из алмазоподобного углерода с включениями металла/оксида металла демонстрирует более низкую степень износа, чем покрытие без таких включений в поверхности, поскольку трение покрытия из алмазоподобного углерода без включений увеличивается после кратковременной фазы обкатки в 10-12 минут, тогда как трение покрытия из алмазоподобного углерода с включениями падает почти постоянно.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке. Скользящий элемент содержит более мягкий материал по сравнению с алмазоподобным углеродом, который включен в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, которым скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить. Изобретение уменьшает коэффициент трения и обеспечивает высокую износостойкость устройства. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, с покрытием (12) из алмазоподобного углерода на подложке, отличающийся тем, что более мягкий материал (14), чем алмазоподобный углерод, включен в поверхность покрытия (12) из алмазоподобного углерода, которым скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить.

2. Скользящий элемент по п.1, в котором более мягкий материал (14) содержит металл или оксид металла, в частности железо или железохромовое соединение или их оксиды, которые мягче покрытия (12) из алмазоподобного углерода.

3. Скользящий элемент по п.1, в котором поверхность покрытия (12) из алмазоподобного углерода содержит более мягкий материал (14) в количестве 15-60%, предпочтительно 20-40%, ее площади.

4. Скользящий элемент по п.1, в котором зона покрытия (12) из алмазоподобного углерода, в которую включен более мягкий материал (14), проходит от поверхности до глубины 1 мкм, предпочтительно до глубины 0,5 мкм, в покрытии (12) из алмазоподобного углерода.

5. Скользящий элемент по п.1, в котором поверхность имеет усредненную шероховатость R_z меньше 2 мкм, предпочтительно меньше 1 мкм, и/или уменьшенную высоту R_pk максимума меньше 0,15 мкм, предпочтительно меньше 0,1 мкм.

6. Скользящий элемент по одному из пп.1-5, который дополнительно включает в себя адгезивный слой металла, предпочтительно хрома, титана или вольфрама, между подложкой и покрытием из алмазоподобного углерода.

7. Способ получения скользящего элемента по одному из пп.1-6, в котором более мягкий материал, чем алмазоподобный углерод, включают в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода скользящего элемента, который должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить.

8. Способ по п.7, в котором металл или оксид металла, в частности железо или железохромовое соединение или его оксиды, являющиеся более мягкими, чем покрытие из алмазоподобного углерода, включают в качестве более мягкого материала в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода.

9. Способ по п.8, в котором более мягкий материал включают в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, выполняя покрытие или с помощью приработки.