用于內(nèi)燃機或壓縮機的具有至少一個滑動面的元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在內(nèi)燃機和/或壓縮機中滑動工作的元件（1），該元件（1）經(jīng)受摩擦、并且接受通過HIPIMS工藝形成的氮化物硬質(zhì)陶瓷涂層（4）。特別地，這種涂層（4）表現(xiàn)如下：對該涂層（4）的內(nèi)張力的控制與其生長無關(guān)，這使得能夠獲得大于常規(guī)厚度的涂層（4），從而大幅提高了耐磨損性。
【專利說明】用于內(nèi)燃機或壓縮機的具有至少一個滑動面的元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及這樣一種元件，該元件在摩擦作用下于內(nèi)燃機上進行滑動工作，并且該元件通過氣相中的物理沉積而接受鉻基陶瓷涂層，所述物理沉積是由大功率脈沖磁控濺射實現(xiàn)的，從而具有更低的內(nèi)張力、高硬度以及低孔隙率。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃機包括無數(shù)經(jīng)受摩擦的元件，因此，由于這些元件承受發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的高應(yīng)力而發(fā)生磨損。
[0003]保證滑動工作元件的耐磨損性從而使發(fā)動機具有較長/足夠的使用壽命參數(shù)的途徑之一是:在構(gòu)建元件所用基底金屬上施加一層或多層涂層。這種專門為抵抗磨損及磨耗所開發(fā)的涂層維持了滑動工作的元件的性能，即使在發(fā)動機的無數(shù)次爆發(fā)循環(huán)之后也是如此。
[0004]除了氣缸、活塞、格板(panel)之外，內(nèi)燃機還具有許多其他的具有至少一個滑動面的元件，這些滑動面能接受涂層以延長元件的使用壽命。這些元件中有些是軸承、氣門傳動機構(gòu)的部件(挺桿、凸輪軸、凸輪凸部(lobe)等)。
[0005]就此而言，存在使用眾多不同的涂層組成的不計其數(shù)的技術(shù)以及不計其數(shù)的施加工藝，這些技術(shù)和工藝均試圖對用于內(nèi)燃機且具有滑動面的各種類型及構(gòu)造的元件進行性能和耐久性的優(yōu)化。
[0006]最接近本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)涂層是通過氣相中的物理沉積工藝(物理氣相沉積)而形成的由氮化物構(gòu)成的陶瓷涂層，這種工藝在本發(fā)明中稱作PVD工藝。
[0007]通過PVD工藝形成的氮化物涂層所表現(xiàn)出的內(nèi)張力(inner tensions)隨涂層厚度的變化而增大(參見圖1)。這些張力通常為壓縮性張力，并且隨膜的生長而變得更有壓縮性。
[0008]圖1示出了氮化鉻(CrN)涂層中壓縮性內(nèi)張力(compressive inner tension)的增大，該涂層是在450°C下，并且顆粒對基底的加速張力為175V的條件下，通過材料在靶表面上的濺射沉積而沉積得到的。
[0009]壓縮性內(nèi)張力隨涂層生長而增大的這種現(xiàn)象是由如下事實造成的:在等離子體環(huán)境中，正離子被電場和磁場吸引到涂層生長的表面，因而將離子轟擊到涂層上的能量導(dǎo)致膜中產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力。
[0010]此外，氮化物膜在通常為數(shù)百攝氏度的環(huán)境中生長，其中，在涂層沉積于基底之后使膜冷卻，由此，不同膨脹系數(shù)的存在促進了基底的更大收縮。因此，涂層材料與基底材料之間的不同膨脹促進了在氮化物膜中“形成”壓縮性內(nèi)張力。
[0011]這種壓縮性內(nèi)張力的存在帶來各種缺陷，一方面限制了涂層厚度，另一方面則降低了具有涂層的所述元件可承受的工作負荷。應(yīng)當(dāng)注意到，由于內(nèi)張力是壓縮性內(nèi)張力，因此其增加了元件所要承受的負荷值。
[0012] 因此，在受到外部負荷的加壓(例如，在用作機器或內(nèi)燃機的構(gòu)成部件時)時，涂層將承受由負荷所產(chǎn)生的張力，所以，涂層的初始張力越接近于中性值(或零內(nèi)張力)，則后者可承受的負荷越大，直至達到導(dǎo)致涂層破裂(裂紋核化(crack ncleation)及其生長)的張力為止。當(dāng)壓縮性內(nèi)張力值和負荷值超過涂層所能承受的極限值時，就會產(chǎn)生涂層的位移，這會導(dǎo)致涂層的嚴重損壞。
[0013]關(guān)于涂層生長，人們觀察到:諸如TiN之類的一些涂層由于其高張力而呈現(xiàn)出生長中的限制，由此，涂層不可能生長至高于2微米或3微米(μ m)的厚度。
[0014]同樣影響所述膜的耐性的另一情況是孔隙的存在。存在于涂層中的孔隙區(qū)域因其對材料的局部粘附力極低而具有缺陷。因此，根據(jù)孔隙的幾何形狀及數(shù)量，孔隙充當(dāng)了或大或小規(guī)模的張力集中體(tension concentrators)。無疑地,高孔隙率損害了涂層的耐磨損性。
[0015]在此方面，涂層中相互作用的變量間的如下關(guān)系(following ratio)可反映出現(xiàn)有工藝中的氮化物陶瓷涂層模型。層厚度越大，所產(chǎn)生的壓縮性內(nèi)張力越高，而隨著涂層中孔隙率的升高，這種情況會更加嚴重。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所示的方案，這種相互關(guān)系最終限制了硬度值以及由此導(dǎo)致的耐磨損性。
[0016]這樣的實例為文獻US5，449，547以及US6，270，081，它們分別描述了具有CrCN/CrON以及CrN涂層的活塞環(huán)。應(yīng)當(dāng)注意到，這些涂層的硬度分別被限制在2200HV以及1800HV，第二篇文獻提及孔隙率高于3%。
[0017]另外，文獻US6，372，369披露了一種用于活塞環(huán)的涂層，該涂層由CrN和TiN制成，硬度在1300~2300HV范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)注意到，當(dāng)涉及氮化物單層涂層時，硬度值很難高于200HV，該硬度最高限度為由這種類型的涂層所存在模型關(guān)系導(dǎo)致的局限之一。
[0018]不幸的是，在嚴峻工作條件下，現(xiàn)有的滑動工作元件的涂層并未呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)哪湍p性能。事實表明，現(xiàn)有的PVD涂層在接下來的幾代發(fā)動機中將無法正常工作，尤其是在具有廢氣再循環(huán)(EGR)以及選擇性催化還原(SCR)的發(fā)動機中，而且，考慮到減少污染排放率，在未來的幾代中將使用這些發(fā)動機。
[0019]因此,現(xiàn)有技術(shù)中提出的常規(guī)方法尚未披露這樣一種技術(shù)方案，該技術(shù)方案能夠獲得具有高性能的氮化物陶瓷涂層，同時其可使膜生長并同時保持降低壓縮性內(nèi)張力，并且該技術(shù)方案還能獲得非常高的耐磨損性。
[0020]發(fā)明目的
[0021]本發(fā)明的目的在于提供一種用于內(nèi)燃機的滑動工作的元件，該元件具有氮化物系涂層，該涂層能夠具有更高的耐磨性。
[0022]本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有氮化物系涂層的滑動工作的元件，這種涂層能夠增加其厚度而不會增大壓縮性內(nèi)張力，同時具有非常低的孔隙率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]通過用于內(nèi)燃機的、具有至少一個滑動面的元件從而實現(xiàn)了本發(fā)明的目的，該元件包括由金屬合金制成的基底、以及至少一個具有由物理氣相沉積(PVD)形成的硬質(zhì)陶瓷涂層的外表面，其中，該元件的孔隙率低于2體積％、維氏硬度在1500~3000HV范圍內(nèi)、并且壓縮性內(nèi)張力低于500MPa?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]下面，參照附圖中所示的實施方案的例子以更具體地描述本發(fā)明。附圖中:
[0025]圖1為示出氮化鉻涂層中壓縮性內(nèi)張力的升高與涂層厚度之間的關(guān)系曲線；
[0026]圖2為示出在氮化鉻涂層的磨損系數(shù)(m3/Nm)與在10厘米/分鐘的速度下進行的不同類型的PVD沉積間的關(guān)系；以及
[0027]圖3為兩個滑動工作元件的圖，其中一個元件具有本發(fā)明的等軸形態(tài)(equiaxialmorphology)的氮化鉻涂層。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明涉及不論涂層厚度如何而控制涂層內(nèi)張力的創(chuàng)新性，這樣，使得人們能夠利用物理氣相沉積(PVD)工藝實現(xiàn)厚度大于常規(guī)厚度的涂層，并且提高這種氮化物陶瓷涂層的耐磨損性。
[0029]根據(jù)沉積過程中施加至陽離子(例如Cr+和N+)的能量的不同，通過物理氣相沉積而沉積的涂層的性能會有很大變化。
[0030]如前所述，對于在內(nèi)燃機上滑動工作的元件I上的氮化物陶瓷涂層現(xiàn)有工藝，由于該涂層具有高壓縮性內(nèi)張力，因此其在摩擦性能方面存在局限。
[0031]本發(fā)明就此問題提供了一種解決方案，該解決方案促進了涂層4的生長而不增大涂層4的壓縮性內(nèi)張力。
[0032]應(yīng)當(dāng)注意到，滑動工作的元件I可以包括發(fā)動機中相互接觸且存在摩擦關(guān)系的各種部件。因此，可將本發(fā)明的涂層4施加至彼此之間互相作用的兩個元件中的一個元件上，或同時施加至這兩個元件上。
[0033]本發(fā)明的滑動工作的元件I包括:由給定金屬合金構(gòu)成的基底2、以及接受涂層4的外表面3 (參見圖3)?；?可以由鐵基合金或鋼構(gòu)成，例如含有10%~17%的鉻的鋼(不銹鋼)、鋁等。
[0034]本發(fā)明的滑動工作的元件I的實例可見于活塞環(huán)(活塞壓環(huán)和活塞油環(huán))、氣缸及缸套、活塞、軸承及軸套(bearings and segments)、頂桿及凸輪、以及其他眾多部件中。
[0035]本發(fā)明的涂層4是通過PVD工藝、更具體而言是通過大功率脈沖磁控濺射(下文稱為HIPMS)而沉積于滑動工作的元件I的至少一個表面上的涂層4。
[0036]用于滑動工作的元件I的新HIPIMS沉積方法將材料電離并隨后轉(zhuǎn)化為氮化物，其中所述材料通常是金屬材料(Cr、T1、Mo、Nb、Al等)。由此，具有高能量的金屬離子朝向涂層4表面加速，使得在涂層4的生長期間，實現(xiàn)了涂層4的松弛而并未損失其硬度，這是非常令人驚訝的。
[0037]應(yīng)當(dāng)注意到，這種行為(涂層的高硬度和低內(nèi)張力)并非顯而易見的，而是與現(xiàn)有技術(shù)有抵觸。無論如何，對于獲得格外的耐磨損性而言，這是非常理想的結(jié)果。在受到外部負荷的加壓(例如，在用作機器或內(nèi)燃機的構(gòu)成部件時)時，涂層將承受由負荷所產(chǎn)生的張力，所以，涂層的初始張力越小，則其可承受的負荷越大，直至達到導(dǎo)致涂層4破裂(裂紋核化及其生長)的張力為止。
[0038] 本發(fā)明的優(yōu)選例子可以由圖3表示。假設(shè)該圖涉及內(nèi)燃機的活塞環(huán)和氣缸(二者都是滑動工作的元件1)，可以僅涂覆滑動工作的元件I中的一者、或涂覆這二者。在所示情況下，我們將詳述這樣一種典型例子:活塞環(huán)在將要與氣缸壁接觸的表面上接受本發(fā)明的涂層4，其中所述活塞環(huán)用于安裝在其任一凹槽上。
[0039]優(yōu)選地，但非強制性地，陶瓷涂層4為氮化鉻，但其它金屬元素也可以用來形成陶瓷涂層，其中可以采用鈦、鑰、鈮、鋁等或其混合。
[0040]在用負電勢將基底2 (基體)極化的情況下，通過HIPMS工藝沉積涂層4，可實現(xiàn)OMPa~500MPa的壓縮性內(nèi)張力值，但該值優(yōu)選為OMPa~200MPa。HIPIMS沉積工藝的特性使得能夠?qū)崿F(xiàn)1000HV~3000HV的維氏硬度。應(yīng)當(dāng)注意到，這個范圍高于現(xiàn)有工藝值，3000HV的值高得出乎意料。另外，本發(fā)明設(shè)法將涂層4的厚度提高至5 μ m~100 μ m的范圍，與現(xiàn)有技術(shù)相比時，該厚度值是非常高的，在涂層為基于氮化鈦的涂層時，該涂層會因其高張力而表現(xiàn)出有限的厚度。
[0041]由于形成涂層4的離子具有高能量(尤其是HIPMS工藝)，因此涂層4足夠致密，這使得孔隙率降低，并且離子在基底2上具有優(yōu)異的附著力?？紫堵手档陀?體積％，本發(fā)明的優(yōu)選范圍是低于0.5%，當(dāng)考慮到硬度和內(nèi)張力值均很優(yōu)異時，該孔隙率值相對于現(xiàn)有技術(shù)確實降低了。
[0042]另外，這種工藝還帶來其他的優(yōu)點，即:使得涂層4的生長不會產(chǎn)生液滴(droplets)(微粒)。由此，用于涂層4的沉積的HIPMS工藝使得能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的摩擦性能，諸如耐磨損性以及耐脫落性。
[0043]圖2清楚地示出了由上述PVD工藝得到的結(jié)果的差別。圖2示出了氮化鉻涂層的磨損系數(shù)與現(xiàn)有技術(shù)中不同沉積方法之間的關(guān)系。相對于本發(fā)明的HIPIMS，列舉了在非平衡磁控(UBM)以及電弧下經(jīng)由靶材料的濺射而進行的沉積。顯然，本發(fā)明的工藝實現(xiàn)了高于現(xiàn)有技術(shù)兩倍的耐磨損性，雖然出乎意料，但無可否認的是，對于用于內(nèi)燃機的滑動工作的元件I而言，本發(fā)明的HIPMS涂層4能夠產(chǎn)生非常積極的結(jié)果。
[0044]由于本發(fā)明技術(shù)所實現(xiàn)的優(yōu)異結(jié)果，該技術(shù)達到了接下來幾代發(fā)動機所要求的運行標(biāo)準，尤其是達到了具有廢氣再循環(huán)和選擇性催化還原的發(fā)動機的運行標(biāo)準，因此有助于污染排放的降低。
[0045]因此，顯然，本發(fā)明的涂層4提出了在涂層生長與其內(nèi)張力之間的出乎意料的關(guān)系，由于人們設(shè)法獲得常規(guī)技術(shù)通常無法實現(xiàn)的具有高摩擦性能和厚度的涂層，因此，所產(chǎn)生的耐磨損性優(yōu)于用現(xiàn)有PVD工藝所獲得的任何一種涂層。
[0046]已經(jīng)描述了實施方式的優(yōu)選實施例，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍包含其它可能的變化，本發(fā)明的范圍只由隨附的權(quán)利要求的內(nèi)容限定，并且包括權(quán)利要求的可能的等同形式。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機的、具有至少一個帶有涂層的滑動面的元件，所述元件(I)包括由給定金屬合金制成的基底(2)、以及至少一個具有由物理氣相沉積產(chǎn)生的硬質(zhì)陶瓷涂層(4)的內(nèi)表面(3)，所述元件(I)的特征在于:孔隙率低于2體積％、維氏硬度在1500~3000HV范圍內(nèi)、并且壓縮性內(nèi)張力低于500MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于:所述陶瓷涂層(4)包含由元素鉻、鈦、鈮、鑰、或鋁中的至少一種形成的氮化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的孔隙率低于0.5體積％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的壓縮性內(nèi)張力低于200MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的厚度在5 μ m~100 μ m范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的元件，其特征在于:所述物理氣相沉積由大功率脈沖磁控等離子體濺射(HIPIMS)實現(xiàn)，并且用負電勢將所述基底(2)極化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鑄鐵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鋼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鋁。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為活塞環(huán)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為挺桿。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一 項所述的元件，其特征在于:所述元件為氣門。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為凸輪凸部。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的元件，其特征在于:所述元件為軸承或活塞環(huán)。
【文檔編號】C23C14/06GK103930587SQ201280036171
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月27日
【發(fā)明者】保羅·若澤·達羅查·莫爾登特, 羅伯特·理查德·班菲爾德, 若澤·瓦倫廷·利馬·薩拉班達 申請人:馬勒發(fā)動機零部件巴西有限公司, 馬勒國際公司