ИМЕЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО С ЗАЩИТНЫМ СЛОЕМ
PISTON RING WITH PROTECTIVE LAYER HAVING COATING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к покрытию поршневого кольца, в частности - уплотнительного кольца, для применения на поршне двигателя внутреннего сгорания.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Скользящие элементы, такие как поршневые кольца в двигателях внутреннего сгорания, должны в течение как можно более длительного срока службы работать при как можно меньшем трении и с малым износом. Принципиально известно, что для того чтобы снизить трение, непосредственно связанное с расходом топлива в двигателе внутреннего сгорания, и увеличить срок службы, можно обеспечить такого рода скользящие элементы износостойким покрытием, снижающим трение. Для этого применяют, например, алмазоподобное углеродное (DLC; от англ.: Diamond-Like Carbon) покрытие или азотированное покрытие, что принципиально известно специалистам в данной области техники. Для нанесения DLC-покрытия используют различные способы. Вследствие более высоких скоростей нанесения покрытия и относительно низких расходов часто используют способ усиленного плазмой химического осаждения из паровой фазы (PA-CVD; от англ.: Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition). Также известно использование способа физического осаждения из паровой фазы (PVD; от англ.: Physical Vapor Deposition).
При этом, в частности, особенно высокими являются требования в отношении износа и точности посадки, предъявляемые к поршневому кольцу (уплотнительному кольцу), расположенному ближе всего к камере сгорания, для удовлетворения требований к малому просачиванию газов в картер двигателя из камеры сгорания и малому расходу масла, поскольку это уплотнительное кольцо подвергается наивысшему давлению газа и наивысшей температурной нагрузке. Также существует потребность в дальнейшем улучшении свойств поршневых колец, снабженных функциональными/износостойкими покрытиями.
Для увеличения срока службы кольца также необходима оптимальная прирабатываемость. За счет дополнительного согласования собственных напряжений основного материала и покрытия, которые обладают различными значениями прочности, поршневое кольцо должно быть оптимизированным и оцениваемым по его кольцевому контуру во избежание преждевременного повреждения покрытия.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению задача решена за счет поршневого кольца, которое включает корпус поршневого кольца, на поверхность которого (по меньшей мере на рабочую поверхность) нанесено DLC-покрытие в качестве функционального покрытия, причем на функциональное покрытие по меньшей мере на отдельных участках рабочей поверхности поршневого кольца нанесен защитный слой, причем защитный слой состоит из материала, который отличается от материала функционального покрытия и обладает более высокой термостойкостью, чем материал функционального покрытия.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения защитный слой может быть нанесен PVD-способом.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения толщина защитного слоя составляет менее 5 мкм, предпочтительно - менее 2 мкм, наиболее предпочтительно - менее 1 мкм.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения защитный слой может состоять из металла или нитрида металла.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения защитный слой нанесен на всю рабочую поверхность поршневого кольца.
Согласно следующему аспекту настоящего изобретения на рабочую поверхность поршневого кольца в области вокруг точки контакта может быть не нанесен защитный слой, а на остальную рабочую поверхность поршневого кольца, включающую в зависимости от обстоятельств рабочие кромки, за пределами этой области нанесен защитный слой.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения функциональное покрытие/износостойкое покрытие может быть сформировано как не содержащее водорода или не содержащее галогенов DLC-покрытие.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения защитный слой может иметь форму поверхностных включений, находящихся в углублениях функционального покрытия.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения поверхностные включения защитного слоя при толщине функционального покрытия, составляющей менее 10 мкм, могут занимать долю поверхности, лежащую в диапазоне от 10% до 30% от общей поверхности, или при толщине функционального покрытия, превышающей 10 мкм, они могут занимать долю поверхности, лежащую в диапазоне от 20% до 40% от общей поверхности.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения на рабочей поверхности поршневого кольца показатель шероховатости Rpk (усредненная высота выступающих из основной поверхности вершин) может лежать в диапазоне от 0,03 мкм до 0,1 мкм, а показатель шероховатости Rk (глубина профиля шероховатости) может лежать в диапазоне от 0,14 мкм до 0,3 мкм.
Далее согласно настоящему изобретению задача решена за счет способа изготовления поршневого кольца, включающего изготовление корпуса поршневого кольца; нанесение DLC-покрытия в качестве функционального покрытия по меньшей мере на рабочую поверхность корпуса поршневого кольца; нанесение защитного слоя на функциональное покрытие; и частичное удаление защитного слоя таким образом, что включения остаются только в углублениях поверхности функционального покрытия.
Согласно одному из аспектов способа корпусу поршневого кольца перед нанесением функционального покрытия можно придать шероховатость, в частности - тем его наружным поверхностям, которые будут снабжены функциональным покрытием.
Согласно одному из аспектов способа функциональное покрытие можно нанести дуговым способом или способом ионно-плазменного распыления.
Согласно одному из аспектов способа функциональное покрытие после нанесения может иметь показатель шероховатости Rpk в диапазоне от 0,15 мкм до 0,5 мкм и показатель шероховатости Rk в диапазоне от 0,3 мкм до 0,7 мкм.
Согласно одному из аспектов способа защитный слой можно нанести PVD-способом.
Согласно одному из аспектов способа материал защитного слоя может включать металл, сплав металлов или нитрид металла, предпочтительно - хром, алюминий, нитрид титана или нитрид ванадия.
Согласно одному из аспектов способа толщина нанесения материала защитного слоя может лежать в диапазоне от 0,05 мкм до 1 мкм, при толщине слоя функционального покрытия более 20 мкм - предпочтительно от 0,2 мкм до 0,4 мкм, или при толщине слоя функционального покрытия менее 20 мкм - предпочтительно от 0,05 мкм до 0,4 мкм, еще более предпочтительно - от 0,1 мкм до 0,2 мкм.
Согласно одному из аспектов способа стадия частичного удаления защитного слоя может включать шлифование, в частности - круговое шлифование.
Согласно следующему аспекту способа стадию частичного удаления защитного слоя можно продолжить до тех пор, пока доля поверхности, занимаемая поверхностными включениями, при толщине функционального покрытия менее 10 мкм не будет лежать в диапазоне от 10% до 30% от всей поверхности, или при толщине функционального покрытия более 10 мкм она не будет лежать в диапазоне от 20% до 40% от всей поверхности.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее настоящее изобретение будет описано на основании различных вариантов осуществления и признаков изобретения.
3
Настоящее изобретение относится к защитному слою для поршневого кольца, снабженного функциональным/износостойким покрытием, при этом функциональное покрытие состоит из алмазоподобного углерода (DLC; от англ.: Diamond-like Carbon). DLC-покрытия включают слои тетраэдрического аморфного углерода, который также называют «ta-С», которые содержат sp-гибридизированные связи, за счет чего образуется алмазоподобная структура. Такой твердый аморфный слой на основе углерода может снижать трение и обладать термостойкостью в диапазоне от примерно 450°С до примерно 550°С и толщиной покрытия, лежащей в диапазоне от 2 мкм до 40 мкм. В случае DLC-покрытия речь предпочтительно идет о DLC-покрытии, не содержащем водорода или галогенов.
DLC-покрытие/функциональное покрытие при этом покрывает по меньшей мере определенный участок рабочей поверхности поршневого кольца, однако при определенных условиях может также покрывать другие участки наружной поверхности поршневого кольца, например - боковые стороны поршневого кольца.
DLC-покрытие далее покрыто защитным слоем из материала, который отличается от материала DLC-покрытия, и который имеет более высокую термостойкость, чем материал DLC-покрытия, например - в диапазоне от 550°С до 650°С. Покрытие при этом охватывает по меньшей мере часть рабочей поверхности поршневого кольца, однако может распространяться на всю рабочую поверхность.
Рабочая поверхность поршневого кольца обычно имеет сферически выпуклый или конический профиль, то есть в поперечном сечении кольца наружная линия проходит не параллельно оси поршня/стенке цилиндра, а выгнута наружу или идет наклонно. При этом под термином «точка контакта» специалист в данной области техники понимает расположенную радиально самую внешнюю точку выпуклости/конусности (вершинную точку) или наивысшую точку профиля рабочей поверхности или точку перегиба профиля рабочей поверхности в собранном состоянии поршневого кольца. В окружном направлении получают так называемую «линию контакта». Согласно варианту осуществления настоящего изобретения область вокруг точки контакта не снабжена защитным слоем. Также в окружном направлении образуется своего рода полоса на поверхности поршневого кольца, на которую не нанесен защитный слой, эта полоса находится в области вокруг «линии контакта». Области рабочей поверхности, включая рабочие кромки, которые не находятся в этой области вокруг точки контакта, напротив, снабжены защитным слоем.
Толщина защитного слоя при этом варьируется в диапазоне нескольких микрометров, при этом она не должна превышать 5 мкм, предпочтительно толщина защитного слоя составляет менее 2 мкм, наиболее предпочтительна толщина, составляющая менее 1 мкм.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения в качестве материала для защитного слоя используют металл или нитрид металла.
Специалисту в данной области техники известны различные способы нанесения такого защитного слоя. Согласно возможному варианту осуществления настоящего изобретения защитный слой наносят на DLC-покрытие PVD-способом (способом физического осаждения из паровой фазы).
Кроме того, существует возможность нанесения дополнительного слоя между DLC-покрытием и защитным слоем.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения защитный слой имеет форму включений в углублениях на поверхности функционального покрытия. Под углублениями в поверхности здесь следует понимать углубления, которые имеются вследствие шероховатости поверхности. При этом защитный слой не имеет формы сплошной поверхности, а имеет форму распределенных по всей поверхности микроскопически малых поверхностных включений.
Размеры углублений и включений можно отрегулировать за счет способа изготовления функционального покрытия. Оказалось, что в случае более тонких функциональных покрытий, то есть в данном случае - менее 10 мкм, предпочтительна доля поверхности, занимаемой поверхностными включениями, от общей поверхности, лежащая в диапазоне от 10% до 30%, тогда как в случае более толстых функциональных покрытий доля поверхности также должна быть больше. Более точно, в случае покрытий с толщиной более 10 мкм предпочтительна доля поверхности, лежащая в диапазоне от 20% до 40% от общей поверхности. С увеличением толщины функционального покрытия должна увеличиваться и доля поверхности, занимаемая поверхностными включениями. Показатель шероховатости Rpk на поверхности поршневого кольца при этом лежит в диапазоне от 0,03 мкм до 0,1 мкм; показатель шероховатости Rk на поверхности поршневого кольца при этом лежит в диапазоне от 0,15 мкм до 0,3 мкм.
Согласно настоящему изобретению поршневое кольцо с защитным слоем, имеющим форму поверхностных включений в функциональном покрытии, изготавливают так, как описано ниже. На изготовленный корпус поршневого кольца, например - из серого чугуна или стали, вначале наносят DLC-покрытие (покрытие из алмазоподобного углерода), которое служит функциональным покрытием и износостойким покрытием. На это DLC-покрытие затем наносят защитный слой, который во время последующей стадии частичного удаления срезают настолько, что дополнительный слой, то есть защитный слой, остается только в углублениях DLC-покрытия. Также присутствуют включения в углублениях на поверхности DLC-покрытия, обусловленных шероховатостью поверхности DLC-покрытия.
За счет этого дополнительного слоя в форме предпочтительно металлических включений между стенкой цилиндра и поверхностью поршневого кольца образуются смесь из масла и углерода и дополнительный металлический защитный слой. За счет дополнительного частичного удаления защитного слоя снижается коэффициент трения, так что повышается износостойкость, в частности -прирабатываемость. В испытании двигателя в течение 100 часов удалось установить, что прирабатываемость поршневого кольца, изготовленного по настоящему изобретению, то есть с дополнительными поверхностными включениями в износостойкое покрытие, улучшается. В частности, установлено, что износ покрытия снижается примерно на 15%, а износ клинообразного элемента снижается примерно на 25%.
Для таких поверхностных включений в функциональное DLC-покрытие это DLC-покрытие должно обладать определенной шероховатостью. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения эту шероховатость получают посредством придания шероховатости корпусу поршневого кольца перед нанесением функционального покрытия, по меньшей мере на тех участках, на которые должно быть нанесено функциональное покрытие. Эта шероховатость затем «переносится» на поверхность функционального покрытия. Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения DLC-покрытие наносят дуговым способом или способом ионно-плазменного распыления (оба способа являются PVD-способами), чтобы сохранить определенную базовую шероховатость. Естественно, возможна и комбинация придания шероховатости корпусу поршневого кольца и нанесения DLC-покрытия дуговым способом или способом ионно-плазменного распыления. Перед нанесением защитного слоя поверхность функционального покрытия (DLC-покрытия) предпочтительно имеет показатель шероховатости Rpk, лежащий в диапазоне от 0,15 мкм до 0,5 мкм, и показатель шероховатости Rk, лежащий в диапазоне от 0,3 мкм до 0,7 мкм.
Показатели шероховатости в целом относятся к общей аксиальной высоте рабочей поверхности поршневого кольца или, в случае доработки рабочей поверхности, (металлический) защитный слой может быть распределен по рабочей поверхности, то есть выше и ниже кольцевой изрезанности. Эти области могут иметь различную ширину в диапазоне от 0,05 мм до 4 мм, в зависимости от аксиальной высоты.
В качестве материала для защитного слоя предпочтительно находят применение металлы, сплавы металлов или нитриды металлов, предпочтительно -хром, алюминий, нитрид титана или нитрид ванадия. При этом материал защитного слоя предпочтительно наносят до толщины, лежащей в диапазоне от 0,05 мкм до 1 мкм. В случае DLC-покрытия с толщиной более 20 мкм предпочтительна толщина нанесения материала защитного слоя в диапазоне от 0,2 мкм до 0,4 мкм. В случае DLC-покрытия с толщиной менее 20 мкм предпочтительна толщина нанесения материала защитного слоя в диапазоне от 0,05 мкм до 0,4 мкм, наиболее предпочтительно - в диапазоне от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Для нанесения материала защитного слоя предпочтительно используют PVD-способ.
После нанесения слоя материала защитного слоя его частично снова удаляют во время следующей стадии частичного удаления с использованием подходящего способа. Для этого предпочтительно используют шлифование, в частности - круговое шлифование. Удаление продолжают до тех пор, пока материал защитного слоя не останется только в углублениях, обусловленных шероховатостью поверхности DLC-покрытия. Таким образом образуются поверхностные включения на DLC-покрытии. Процесс частичного удаления предпочтительно продолжают до тех пор, пока доля поверхности, занимаемая поверхностными включениями, от общей поверхности в случае тонких DLC-покрытий, то есть с толщиной менее 10 мкм, не будет лежать в диапазоне от 10% до 30%. В случае более толстых DLC-покрытий, то есть с толщиной более 10 мкм, предпочтительна доля поверхности, лежащая в диапазоне от 20% до 40%. Долю поверхности при этом можно определить способом REM-картирования (растрового электронно-микроскопического картирования; от англ.: raster electron microscopy). Под общей поверхностью в данной публикации понимают общую поверхность, к которой был применен способ по настоящему изобретению, включая процесс частичного удаления, то есть доля поверхности - это доля поверхностных включений на поверхности, на которую нанесен материал защитного слоя. Также существует возможность снабдить защитным слоем только часть DLC-покрытия и/или удалить материал защитного слоя только с части поверхности, а на других участках поверхности сохранить полную толщину нанесенного защитного слоя. Также можно нанести материал защитного слоя с различной толщиной на различные участки поверхности, например, в области поршневого кольца, подвергающейся ударам, можно нанести материал с немного большей толщиной.
За счет нанесения материала защитного слоя на функциональное покрытие и последующего процесса частичного удаления защитного слоя показатель шероховатости Rpk снижается примерно на 20%, а показатель шероховатости Rk снижается примерно на 30%. Это изменение относится к функциональному покрытию с поверхностными включениями, то есть после стадии частичного удаления защитного слоя, по сравнению с функциональным покрытием без поверхностных включений, то есть сразу же после нанесения DLC-покрытия/функционального покрытия. Показатели шероховатости также заметно снижаются, что приводит к повышению износостойкости.