СКОЛЬЗЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, В ЧАСТНОСТИ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО, С ПОКРЫТИЕМ
SLIDING ELEMENT, IN PARTICULAR, A PISTON RING HAVING A COATING

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу.
Скользящие элементы, например такие, как поршневые кольца, имеют поверхности скольжения, которыми они находятся в скользящем контакте с сопряженной деталью пары трения. Трибологическая система является сложной и решающим образом определяется, например, сочетанием пар материалов в паре трения и условиями окружающей среды, например такими, как давление, температура и среда окружения. Именно в современных двигателях возникают особенно высокие нагрузки, например, на поршневые кольца. Чтобы обеспечить и продлить работоспособность и долговечность конструкционных деталей, могут быть целенаправленно оптимизированы характеристики поверхностей скольжения скользящего элемента.
Уровень техники
Такие оптимизации часто включают нанесение более или менее сложной системы слоев с помощью, например, способа термического напыления, гальванического способа или способа тонкопленочной технологии. Основное назначение таких слоев состоит в защите от износа, при этом в первую очередь стремятся обеспечить главным образом высокую твердость. Особенно твердыми и долговечными слоями оказались слои из алмазоподобного углерода (DLC-слои). Их свойства можно варьировать разнообразными путями, например изменением характера их С-С-связей, различными уровнями содержания углеродных связей, и наличием или отсутствием водорода и металлов. Зачастую под этими слоями для защиты от износа наносятся адгезионные слои, которые должны обеспечивать особенно устойчивое и прочное сцепление высоконагруженного противоизносного слоя с базовым материалом скользящего элемента.
Однако применение исключительно очень твердых DLC-покрытий приводит к некоторым технологическим проблемам. Во-первых, поверхности этих слоев должны быть очень гладкими, чтобы при высоком контактном напряжении не происходили разрушения на поверхности и тем самым не приводили к выходу системы слоев из строя. Кроме того, может проявиться то, что, например, при увеличении шероховатости противоизносных слоев значительно возрастает износ кольца и зеркала цилиндра. Поэтому необходимо делать поверхности противоизносных слоев в высшей степени гладкими перед их использованием, но это связано с высокими техническими издержками, а также является очень дорогостоящим. Например, патентный документ ЕР 1 829 986 В1 описывает способ, как такие твердые слои на основе углерода могут быть обработаны с помощью щетиноподобных или пластинчатых элементов. Во-вторых, очень твердые слои для защиты от износа имеют неблагоприятные характеристики приработки. Вследствие их высокой твердости приработка происходит за счет сопряженной детали пары трения, которая в фазе приработки претерпевает усиленный износ, что, кроме того, может вести к образованию царапин и/или к прижогам.
В отношении прирабатываемости может быть целесообразным предусматривать нанесение на противоизносные слои приработочных слоев, которые являются более мягкими, чем слои для защиты от износа. Назначение этих слоев состоит в достижении своего рода трибологического «равновесия», в котором приработочный слой при первом контакте с сопряженной деталью пары трения изнашивается и при этом происходит взаимная притирка сопряженных деталей пары трения. После фазы приработки замедляется и стабилизируется износ вследствие механического истирания, и тогда твердый противоизносный слой обеспечивает постоянные благоприятные характеристики износа и стабильность на протяжении срока эксплуатации.
Патентный документ DE 10 2005 063 123 В3 описывает систему слоев на скользящем элементе, состоящую по направлению изнутри наружу из противоизносного слоя, адгезионного слоя и приработочного слоя типа Ме-С:Н, в котором, кроме того, содержатся частицы твердого материала, например карбида вольфрама (WС).
Из патентного документа DE 10 2008 042 747 А1 следует скользящий элемент с покрытием, которое по направлению изнутри наружу имеет адгезионный слой, нанесенный физическим осаждением из паровой фазы (PVD) слой, необязательно слой на основе углерода типа а-С:Н:W, слой на основе углерода типа а-С:Н и дополнительный слой на основе углерода типа а-С:Н. При этом предусматривается, что наружный углеродный слой является более мягким, чем нижележащий углеродный слой.
Сущность изобретения
В основу изобретения положена задача создания скользящего элемента, в частности поршневого кольца для двигателей внутреннего сгорания, с оптимальными механическими, а также трибологическими свойствами. Точнее, задача состоит в создании такого скользящего элемента, поверхность которого имеет благоприятную прирабатываемость, то есть обеспечивает сокращенную продолжительность приработки, уменьшенный износ сопряженной детали и пониженный расход топлива и масла во время приработки. Кроме того, должна достигаться улучшенная обрабатываемость поверхности скользящего элемента.
Соответственно изобретению задача решена с помощью скользящего элемента согласно пункту 1 патентной формулы. Предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования изобретения могут быть достигнуты сообразно признакам, указанным в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соответствующий изобретению скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, имеет по меньшей мере одну поверхность скольжения, причем сама поверхность скольжения имеет покрытие, которое по направлению изнутри наружу имеет по меньшей мере один первый адгезионный слой, твердый безводородный DLC-слой, второй адгезионный слой, мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой, который является более мягким, чем твердый безводородный DLC-слой, и твердый водородсодержащий DLC-слой, который является более твердым, чем мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой.
Внутренний твердый безводородный DLC-слой после приработки становится исполняющим функцию защиты от износа скользящего элемента при долговременной эксплуатации и тем самым обеспечивает хорошую устойчивость на протяжении срока службы и работоспособность скользящего элемента. Чтобы оптимально исполнять эту функцию, предпочтительно выбирается слой типа ta-C, то есть слой тетраэдрического, безводородного, аморфного углерода, который отличается высокими достижимыми величинами твердости.
Однако мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой, в частности, сравнительно с вышеописанным DLC-слоем, является сравнительно мягким, но, кроме того, имеет благоприятные трибологические характеристики. Этот слой может быть предпочтительно выполнен как слой тетраэдрического, безводородного, аморфного углерода (ta-C), или как слой водородсодержащего аморфного углерода (а-С:Н), или как слой содержащего металл и водород аморфного углерода (Me-DLC). Мягкий DLC-слой действует в качестве стабилизирующего промежуточного слоя между обоими твердыми DLC-слоями и при этом делает систему слоев устойчивой против возникающих высоких срезающих усилий.
Заключительный наружный слой покрытия сформирован твердым водородсодержащим DLC-слоем. Этот слой при этом предпочтительно выполнен несколько менее твердым и обладает меньшей износоустойчивостью, чем внутренний твердый DLC-слой. Вследствие этого может быть сравнительно благоприятно достигнута меньшая шероховатость поверхности благодаря процессу выглаживания перед применением скользящего элемента, например, в двигателе внутреннего сгорания. Тем самым слой пригоден в качестве приработочного слоя, сообразно чему достигается хорошая прирабатываемость, например, поршневого кольца с поверхностью скольжения цилиндра, что в совокупности обусловливает сокращенную продолжительность приработки, уменьшенный износ сопряженной детали и сниженный расход топлива и масла, а также прорыв газов в картер двигателя в фазе приработки.
Кроме того, система слоев образована двумя адгезионными слоями, которые создают хорошее сплошное соединение между внутренним твердым и мягким DLC-слоем, так что покрытие во время высоких нагрузок в фазе приработки не утрачивает своей цельности и работоспособности. Во-вторых, первый адгезионный слой служит в качестве материала, повышающего прочность сцепления с базовым материалом поверхности скольжения, и тем самым создает основу для устойчивости и работоспособности покрытия в целом.
Выбранные материалы DLC-слоев обеспечивают возможность хорошей оптимизации свойств слоев в отношении их индивидуального использования в покрытии, например, путем вариации содержания водорода или типа введенных металлов. В целом тем самым получается система слоев, которая отличается постоянно низким трением во время всего срока эксплуатации скользящего элемента.
Твердый безводородный DLC-слой предпочтительно имеет твердость между около 1800 и около 3500 HV 0,02, мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой имеет твердость между около 800 и около 1400 HV 0,002, и твердый водородсодержащий DLC-слой имеет твердость между около 1800 и около 3100 HV 0,002. Различные твердости, как представлено выше, обусловливают различные действия отдельных слоев в покрытии. Высокая максимальная твердость внутреннего твердого безводородного DLC-слоя обеспечивает устойчивость на протяжении срока эксплуатации. Меньшая твердость мягкого промежуточного DLC-слоя является благоприятной для механической стабилизации покрытия, и слегка сниженная максимальная твердость наружного твердого водородсодержащего DLC-слоя оказывается благоприятной для прирабатываемости скользящего элемента. Улучшенная прирабатываемость способствует трибологической стабилизации сопряженных скользящих деталей между собой, а также улучшенной притирке скользящего элемента к геометрической форме сопряженной скользящей детали. При этом величины твердости оказываются особенно благоприятными в приведенных диапазонах.
Чтобы обеспечить работоспособность и пригодность покрытия, предпочтительно, чтобы разность значений твердости между твердыми DLC-слоями и мягким DLC-слоем соответствовала коэффициенту от около 1,2 до около 4,4. Меньшие разности значений твердости приводили бы к слишком однородной системе слоев с очень сходными свойствами слоев, и это обусловливало бы утрату, например, эффекта механической стабилизации, или оптимальной прирабатываемости, или хорошей устойчивости на протяжении срока эксплуатации. Увеличенные же разности значений твердости представляются технологически менее целесообразными и не оказывали бы никакого положительного действия.
Благоприятным образом мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой имеет фазы из вольфрама, и/или карбида вольфрама, и/или кремния, и/или карбида кремния, и/или хрома, и/или карбида хрома. Было показано, что элементы W, Si и Cr, и/или их карбиды, содержащиеся в слое водородсодержащего аморфного углерода, образуют слой, который представляет собой хороший компромисс между характеристиками стабилизации и трения.
Первый и/или второй адгезионный слой предпочтительно являются(ется) содержащими(щим) металл, в частности хром (Cr). Адгезионные слои при этом могут быть изготовлены способом с использованием низкотемпературной плазмы, например, физическим осаждением из газовой фазы.
Покрытие на поверхности скольжения скользящего элемента предпочтительно имеет совокупную толщину от около 5 мкм до около 50 мкм. Толщины слоев в этом диапазоне обеспечивают то, что приработочный слой и стабилизирующий слой являются достаточно толстыми, чтобы надлежащим образом исполнять свои функции, и что противоизносный слой имеет достаточное количество материала, чтобы обеспечивать хорошие трибологические характеристики при длительной работе.
Соотношение толщин слоев между толщиной твердого безводородного DLC-слоя, включая первый адгезионный слой, и толщиной обоих водородсодержащих DLC-слоев, в том числе второго адгезионного слоя, составляет между около 1,1 и около 12. Тем самым является благоприятной конфигурация слоев, в которой действующий в качестве приработочного слоя DLC-слой постоянно является более тонким, чем DLC-слой, выполненный в качестве противоизносного слоя. Соотношения толщин слоев могут благоприятным образом варьировать в пределах этого диапазона значений так, что в зависимости от условий применения скользящего элемента может быть изготовлен, например, сравнительно толстый приработочный слой или сравнительно тонкий приработочный слой.
Базовый материал скользящего элемента может быть сформирован из стали или ковкого чугуна. Эти материалы оказались особенно благоприятными базовыми материалами для высоконагруженного скользящего элемента, например поршневого кольца.
Кроме того, поверхность по меньшей мере одного DLC-слоя может быть механически выглажена. По возможности гладкая поверхность трения содействует значительному снижению, например, износа кольца и зеркала цилиндра.
Варианты осуществления изобретения
В качестве примерного варианта осуществления настоящего изобретения представляется сложная система слоев, в которой на базовом материале скользящего элемента, например стали или ковком чугуне, по направлению изнутри наружу сначала наносится первый содержащий хром адгезионный слой. Затем на этот слой наносится твердый безводородный DLC-слой, который обеспечивает устойчивость на протяжении срока эксплуатации всей системы слоев в целом. К нему примыкает дополнительный содержащий металл адгезионный слой, за которым следует сравнительно мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой, который прежде всего воспринимает механические срезающие усилия и обусловливает стабилизирующее действие. Снаружи система слоев завершается твердым водородсодержащим DLC-слоем, который имеет меньшую максимальную твердость, чем внутренний твердый DLC-слой, и служит в качестве приработочного слоя.