用于內(nèi)燃機(jī)的具有至少一個(gè)滑動(dòng)面的元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在內(nèi)燃機(jī)和/或壓縮機(jī)中滑動(dòng)工作的元件（1），該元件（1）經(jīng)受摩擦、并且接受具有等軸形態(tài)的鉻氮化物涂層，該涂層具有低孔隙率（低于1%），并具有優(yōu)勢(shì)晶體取向（111），并維持取向（200）上的一定的網(wǎng)狀，從而改進(jìn)了耐磨損性以及韌性，延長了滑動(dòng)工作元件（1）的使用壽命。
【專利說明】用于內(nèi)燃機(jī)的具有至少一個(gè)滑動(dòng)面的元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種元件，該元件在內(nèi)燃機(jī)上滑動(dòng)工作，并且該元件接受了鉻基涂層以提升其耐磨損性，從而提高了組件的使用壽命。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃機(jī)包括無數(shù)經(jīng)受摩擦的元件，因此，由于這些元件承受了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的高應(yīng)力而發(fā)生磨損。
[0003]保證滑動(dòng)工作元件的耐磨損性從而使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)工作的元件的性能，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)的無數(shù)次爆發(fā)循環(huán)之后也是如此。
[0004]除了氣缸、活塞和活塞環(huán)之外，內(nèi)燃機(jī)還具有許多其他的具有至少一個(gè)滑動(dòng)面的元件，這些滑動(dòng)面能接受涂層以延長元件的使用壽命。這些元件中有些是青銅軸承襯套、氣缸襯套、氣門傳動(dòng)部件等。
[0005]就此而言，存在使用眾多不同的涂層組成的不計(jì)其數(shù)的技術(shù)以及不計(jì)其數(shù)的施加工藝，這些技術(shù)和工藝均試圖對(duì)用于內(nèi)燃機(jī)且具有滑動(dòng)面的各種類型及構(gòu)造的元件進(jìn)行性能和耐久性的優(yōu)化。
[0006]鑒于本發(fā)明的目標(biāo)物為滑動(dòng)工作的元件，用于(例如)內(nèi)燃機(jī)中所用活塞環(huán)的鉻氮化物(CrN, Cr2N)膜/涂層通常具有“柱狀”形態(tài)(參見圖1)，其垂直于將接受該涂層的基體或金屬基底。
[0007]應(yīng)當(dāng)注意到，由于這種涂層被施加至具有相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)(例如，往復(fù)運(yùn)動(dòng))的表面，因此在摩擦作用下，涂層材料會(huì)固有地受到與自由面相切的應(yīng)力。在這種情況下，由于涂層的“柱狀”紋理(texture)，使得由摩擦所致的涂層應(yīng)力發(fā)生方向?yàn)閷?duì)涂層的阻力較小的方向。
[0008]還會(huì)影響膜阻力的另一情況是孔隙的存在(圖中未示出)。存在于涂層中的孔隙區(qū)域因其對(duì)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)。
[0009]因此，涂層材料的結(jié)構(gòu)取向會(huì)直接影響其性能。典型地，制備具有取向(111)或(200)的交聯(lián)劑。已知材料的第一取向(111)用于表現(xiàn)出良好的耐磨損性，而第二取向
(200)有助于使涂層的內(nèi)張力降至最低，由此使得能夠得到這樣的涂層，該涂層的厚度大于涂層僅具有取向(111)時(shí)所得到的厚度。
[0010]存在一些現(xiàn)有工藝中的滑動(dòng)工作元件，其呈現(xiàn)出柱狀形態(tài)以及取向(111)。其實(shí)例在美國專利文獻(xiàn)US5，743，536以及US5，851，659中示出，所述文獻(xiàn)描述了設(shè)置有鉻氮化物涂層的活塞環(huán)，該涂層具有柱狀形態(tài)以及與涂層表面平行的取向(111)。這些文獻(xiàn)所披露的涂層的厚度在I~80微米(μπι)范圍內(nèi)，硬度在600~1000維氏硬度(HV)范圍內(nèi)，并且孔隙率在1.5%~20%范圍內(nèi)。[0011]另外，現(xiàn)有技術(shù)文也給出了柱狀形態(tài)并且同時(shí)具有取向(111)和(200)。北美文獻(xiàn)US2009/278320A1披露了這樣一種鉻氮化物涂層，其具有柱狀形態(tài)、并且同時(shí)具有兩個(gè)取向，以獲得主要與韌性相關(guān)的益處。然而，該現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)所利用的(111)/ (200)比值的范圍相對(duì)較小，為0.8~1.2。換言之，兩個(gè)取向保持幾乎類似的關(guān)系，這樣所提供的膜的厚度大于80 μ m,硬度在1500~2500HV范圍內(nèi)，并且孔隙率高于10%。
[0012]最后,文獻(xiàn)US6, 372, 369披露了一種用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)工作兀件(活塞環(huán)),該兀件設(shè)置有包含氮化鉻(CrN)和氮化鈦(TiN)的涂層，該涂層還含有氧，并且該涂層也呈現(xiàn)出柱狀形態(tài)。所述涂層的厚度在1~1OOμm范圍內(nèi)，并且硬度在1300~2300HV范圍內(nèi)。這種特性是通過涂層取向中的優(yōu)勢(shì)取向(111)或(200)來實(shí)現(xiàn)的。因此，氮化鉻和氮化鈦晶體具有與待涂覆表面平行的優(yōu)選取向(200)或(111)，其形態(tài)為從基底材料至涂層外表面的柱狀。
[0013]雖然由現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)證實(shí)了技術(shù)進(jìn)步，但是人們?nèi)晕窗l(fā)現(xiàn)這樣的技術(shù)方案，該技術(shù)方案能使應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)工作元件的涂層具有更高的耐磨損性，并且同時(shí)維持其韌性并確?？紫堵实陀?%或?qū)嵸|(zhì)上為零。
[0014]另外，現(xiàn)有技術(shù)不僅沒有實(shí)現(xiàn)為滑動(dòng)元件提供極高耐磨損性的涂層，以使元件在較長運(yùn)行周期內(nèi)正常工作，此外這些文獻(xiàn)也沒有公開使用具有其他形態(tài)的涂層的可能性。這種形態(tài)更能抵抗滑動(dòng)元件所要經(jīng)受的摩擦狀況，從而提供更持久的運(yùn)行條件，并且使內(nèi)燃機(jī)表現(xiàn)出更高的效率和更低的污染氣體排放。
[0015]因此，現(xiàn)有技術(shù)方案存在兩個(gè)缺陷，這兩個(gè)缺陷迄今尚未被消除。一方面，耐磨損性的提高損害了涂層的韌性，另一方面，涂層所表現(xiàn)出的孔隙率有損于涂層的耐久性。就此而言，為了實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果，變量:耐磨損性、韌性、以及孔隙率受到方程式(equation)的限定，該方程式需要引入新的范式(paradigm)，即:鉻氮化物涂層的形態(tài)及其結(jié)構(gòu)的取向水平。
[0016]發(fā)明目的
[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)工作的元件，該元件具有鉻氮化物涂層，該涂層能夠確保提高耐磨性，并同時(shí)維持其韌性值。
[0018]本發(fā)明的另一目的在于提供一種帶有鉻氮化物涂層的滑動(dòng)工作的元件，該鉻氮化物涂層具有以原子取向(111)為主的等軸形態(tài)，同時(shí)也維持了具有取向(200)的結(jié)構(gòu)。
[0019]本發(fā)明的又一目的在于提供這樣一種滑動(dòng)工作元件，該元件具有實(shí)質(zhì)上不含孔隙的氮化鉻涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明目的通過用于內(nèi)燃機(jī)的具有至少一個(gè)滑動(dòng)面的元件而得以實(shí)現(xiàn)，該元件包括由給定的金屬合金制成的基底、以及具有由物理氣相沉積形成的鉻氮化物硬質(zhì)涂層的外表面，該涂層的孔隙率在小于1體積％的范圍內(nèi)，并且具有等軸晶體結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面，參照附圖中所示的實(shí)施方案的例子，更具體地描述本發(fā)明。
[0022]附圖中:[0023]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的滑動(dòng)工作元件中鉻氮化物涂層的柱狀形態(tài)的照片；
[0024]圖2是根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)工作元件中鉻氮化物涂層的等軸形態(tài)照片；
[0025]圖3是具有柱狀形態(tài)的涂層呈現(xiàn)的生長方向以及由摩擦導(dǎo)致的應(yīng)力方向的圖；
[0026]圖4是具有等軸形態(tài)的涂層呈現(xiàn)的生長方向以及由摩擦導(dǎo)致的應(yīng)力方向的圖；
[0027]圖5是兩個(gè)滑動(dòng)工作元件的圖，其中一個(gè)元件具有根據(jù)本發(fā)明的等軸形態(tài)的鉻氮化物涂層；以及
[0028]圖6是兩個(gè)滑動(dòng)工作元件的圖，其中一個(gè)元件具有用以連接本發(fā)明的鉻氮化物涂層和基底的中間層。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機(jī)的、具有至少一個(gè)滑動(dòng)面的元件。應(yīng)當(dāng)注意到，滑動(dòng)工作的元件(I)可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生接觸的各種部件，其中在這些部件中會(huì)產(chǎn)生摩擦。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(gè)元件中的一個(gè)元件上，或同時(shí)施加至這兩個(gè)元件上。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)工作元件I包括由金屬合金制成的基底2、以及將接受涂層4的外表面3 (參見圖5和圖6)。基底2可以由鐵基合金或由鋼構(gòu)成，例如，含有10%~17%的鉻的鋼(不銹鋼)。
[0031]本發(fā)明的滑動(dòng)工作的元件I的實(shí)例可見于活塞環(huán)(活塞壓環(huán)和活塞油環(huán))、軸承、氣缸及缸套、活塞及活塞環(huán)、以及其他眾多部件中。
[0032]如前所述，對(duì)于施加在用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)工作元件I上的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的鉻氮化物涂層，其特征在于具有柱狀形態(tài)。具有柱狀形態(tài)的涂層表現(xiàn)出了材料阻力的各向異性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有柱狀形態(tài)的這類涂層不會(huì)提供耐磨損性的最佳結(jié)果，這是因?yàn)橛捎谄洹爸鶢睢奔y理(參見圖3)，使得由摩擦“A”導(dǎo)致的涂層機(jī)械應(yīng)力的發(fā)生方向?yàn)閷?duì)涂層的阻力較小的方向，也就是說，與朝向待涂覆基底的垂直生長方向“C”相切的方向。
[0033]本發(fā)明的涂層4的形態(tài)不同于現(xiàn)有技術(shù)的形態(tài)，以等軸形態(tài)(參見圖4)促進(jìn)涂層4的生長，這使得涂層4具有各向同性的性質(zhì)。通過對(duì)兩幅圖的觀察，由于本發(fā)明的形態(tài)不具有線性堆疊結(jié)構(gòu)(柱狀)，因此本發(fā)明的形態(tài)明顯地能夠更容易地承受摩擦(A)所產(chǎn)生的負(fù)荷。在等軸結(jié)構(gòu)中，存在以等軸方式排布的距“塊體(block) ”中心的錯(cuò)位(disalignment),使得由一個(gè)“塊”施加的負(fù)荷被分布在下方的兩個(gè)“塊體”上，從而得到了更強(qiáng)的抵抗應(yīng)力的能力。
[0034]圖1和圖2的照片示出了這種類型形態(tài)的一個(gè)例子。柱狀形態(tài)(圖1)具有更加清晰的輪廓(more defined)，可明顯地看出存在重疊的柱狀物。而等軸形態(tài)(圖2)的線性則弱于圖1中的形態(tài)。
[0035]然而，不僅涂層4的形態(tài)使得本發(fā)明的涂層4能獲得出色的結(jié)果。本發(fā)明涂層4所實(shí)現(xiàn)的孔隙率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有工藝中鉻氮化物涂層的孔隙率。因此，經(jīng)發(fā)現(xiàn)涂層4的最大孔隙率不超過I體積％，趨于不存在孔隙，也就是實(shí)質(zhì)上孔隙率為零。
[0036]除了由本發(fā)明的涂層4的等軸形態(tài)所提供的優(yōu)勢(shì)之外，重要的是應(yīng)當(dāng)注意到，不存在孔隙(或孔隙率趨于零)對(duì)于涂層4的機(jī)械性能是非常有益的。已知的是，由于孔隙同時(shí)充當(dāng)了缺陷以及張力集中體，因此孔隙會(huì)影響涂層的結(jié)構(gòu)抵抗力。因此，孔隙量的降低以及這種不連續(xù)性的持續(xù)提供了更致密的涂層4，使得涂層4具有更高的耐磨損性以及更大的韌性。
[0037]進(jìn)一步參照引入本發(fā)明涂層中的改進(jìn)，應(yīng)當(dāng)注意到，鉻氮化物涂層原子取向中的新排列使得機(jī)械性能得到相當(dāng)大的改進(jìn)。
[0038]許多現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)描述了固有的族取向(family orientation) (111)提供了良好的耐磨損性。這部分是由于這種晶體取向接近面心立方體(FCC)的結(jié)構(gòu)，即，具有較小的原子間隔，這反映在薄涂層的磨損方面得到改進(jìn)。然而，涂層生長中固有的高內(nèi)應(yīng)力顯然限制了其在方向(111)上的生長(更大的厚度)。
[0039]另一方面，族晶體取向(200)導(dǎo)致非常難以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)以減輕施加于涂層表面的外部剪切應(yīng)力，從而造成了具有取向(200)的晶面的位移，而這對(duì)于滑動(dòng)工作的元件I中的涂層是非常不利的。
[0040]因此，根據(jù)對(duì)本發(fā)明的涂層4的理解，族(111)的晶面提高了對(duì)裂隙出現(xiàn)的抵抗力，而少量的族(200)則提高了對(duì)裂隙蔓延的抵抗力。本發(fā)明同時(shí)使用了這兩種晶體取向作為冶金機(jī)制(metallurgical mechanism),從而通過降低平面之間界面的能量以避免涂層的位移并提高耐磨損性。
[0041]考慮到有效地實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所述的涂層4中的晶面分布主要為(111)。對(duì)該值進(jìn)行量化，根據(jù)族取向(111)的晶體分布大約是族(200)的晶面的1.5倍~100倍，gp，(111) / (200) =1.5 ~100。 [0042]因此，之前對(duì)涂層生長的限制(即，在預(yù)定情況下將涂層限制至I μ m或2 μ m)現(xiàn)在已得到了解決。由本發(fā)明提出的技術(shù)方案使得在有利地維持相同韌性值的情況下，還能夠提聞涂層的厚度。
[0043]最后，為了實(shí)現(xiàn)用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)元件I中涂層4的性能，使用了通過物理氣象沉積以形成鉻氮化物的沉積工藝，更具體而言，使用了大功率脈沖磁控濺射-HPIMS從而通過大脈沖功率來形成涂層。
[0044]所述沉積工藝?yán)昧诉@樣的現(xiàn)象:通過大幅提高離子達(dá)到金屬基底1(其上進(jìn)行涂層4的生長)的能量(更高的速度)，并使涂層4的結(jié)構(gòu)發(fā)生相當(dāng)大的變化，從而使得由典型的柱狀形態(tài)(參見圖1和圖3)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S形態(tài)(參見圖2和圖4)。因此，所述現(xiàn)象能夠產(chǎn)生愈加致密的膜，該膜的厚度與形成涂層的離子的能量相關(guān)。
[0045]作為沉積工藝特性的應(yīng)變量，已觀察到:隨著(111)的量越大，會(huì)越來越優(yōu)選地形成交聯(lián)取向，但仍然保留具有取向(200)的結(jié)構(gòu)，從而賦予涂層4以韌性。
[0046]通過圖5和圖6可以理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。假設(shè)該圖涉及內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)和氣缸(二者都是滑動(dòng)工作元件1)，可以僅涂覆滑動(dòng)工作元件I中的一者，或者涂覆這二者。在具體情況下，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。。
[0047]因此，通過HIPMS工藝使活塞環(huán)的金屬基底2在其外表面3上接受沉積的鉻氮化物涂層4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:涂層4具有等軸形態(tài)，具有極低的(低于1%)的孔隙率或根本沒有孔隙。此外，網(wǎng)狀(reticulate)結(jié)構(gòu)與優(yōu)選的基底2的方向(111)平行，這使得能夠觀察到膜具有極高的耐磨損性(高于現(xiàn)有技術(shù))，而同時(shí)也呈現(xiàn)出在活塞環(huán)工作面上適當(dāng)形成保護(hù)功能所需的韌性(取向(200)的剩余值)。[0048]應(yīng)當(dāng)注意到，測(cè)量值表明晶體取向(111)與(200)之比在1.5倍~100倍之間。由此，硬度值在1500HV~2500HV范圍內(nèi)，涂層4厚度已經(jīng)達(dá)到了 5 μ m~60 μ m的范圍。
[0049]因此，顯然，本發(fā)明的涂層4不僅在用于內(nèi)燃機(jī)的滑動(dòng)工作元件I上形成了一種新的等軸形態(tài)，還帶來了能夠克服現(xiàn)有技術(shù)涂層所遇到的困難的眾多特性，并賦予其以更長的耐久性。
[0050]本發(fā)明已經(jīng)描述了實(shí)施方案的優(yōu)選的例子，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍包含其它可能變化，本發(fā)明的范圍隨附的權(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(jī)的具有至少一個(gè)滑動(dòng)面的元件，所述元件(1)包括由給定金屬合金形成的基底(2)、以及由硬質(zhì)涂層(4)構(gòu)成的外表面(3)，該硬質(zhì)涂層(4)由通過物理氣相沉積產(chǎn)生的鉻氮化物形成，所述元件(1)的特征在于:所述涂層(4)具有低于1體積％的孔隙率，并且具有等軸晶體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的晶體取向由與所述涂層(4)的表面平行的平面的比例限定，其中，相對(duì)于所述晶體平面，所述晶體平面(111)相對(duì)于晶面(200)的比值為1.5~100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的硬度在1500HV~2500HV范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的厚度在5μ m~60 μ m范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)的晶體取向主要由致密晶面(111)限定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鑄鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的元件，其特征在于:所述基底(2)的材料為鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的元件，其特征在于:所述所述基底(2)的材料為鉻含量在10重量％~17重量％范圍內(nèi)的鋼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的元件，其特征在于:所述涂層(4)含有選自氧和碳所構(gòu)成的組中的元素，并且該元素的含量大于5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的元件，其特征在于:設(shè)置有中間層(5)，所述中間層(5)用于連接所述涂層(4)和所述基底(2)，所述中間層(5)包含鉻、鎳、鈷中的一種元素。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的元件，其特征在于:所述物理氣相沉積是通過大功率脈沖磁控濺射以高脈沖功率而實(shí)現(xiàn)的。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103917686SQ201280036856
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)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(dá)羅查·莫爾登特, 羅伯特·理查德·班菲爾德, 尤利亞諾·阿韋拉爾·阿勞約, 若澤·瓦倫廷·利馬·薩拉班達(dá) 申請(qǐng)人:馬勒發(fā)動(dòng)機(jī)零部件巴西有限公司, 馬勒國際公司