Элемент скольжения

Изобретение относится к элементу скольжения двигателя внутреннего сгорания, в частности поршневому кольцу. Элемент скольжения содержит DLC-покрытие типа ta-C, имеющее, по меньшей мере, один градиент внутреннего напряжения, причем в средней области (II) покрытие в направлении снаружи вовнутрь имеет отрицательный градиент внутреннего напряжения, который, предпочтительно, меньше, чем в области (III), расположенной внутри. Область (III) покрытия, расположенная внутри, имеет меньшую толщину слоя, чем средняя область (II), причем покрытие имеет толщину 10 мкм или более. Обеспечивается увеличение срока службы покрытия при сохранении заданных фрикционных свойств. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к элементу скольжения в двигателе внутреннего сгорания, в частности к поршневому кольцу.

При сокращении выбросов двуокиси углерода из двигателей внутреннего сгорания решающую роль играет расход топлива. На него в значительной степени воздействуют потери на трение в двигателе, в частности в области поршней, например поршневых колец. Поэтому существует потребность в элементах скольжения в двигателях внутреннего сгорания, в частности, поршневых кольцах, которые на протяжении всего срока службы имеют максимально благоприятные фрикционные свойства. Принимая во внимание весь срок службы, в частности, следует учитывать прирабатываемость, возможный недостаток смазки и возможное образование следов прижога, ведущих к изменению трибологических свойств.

В вышеупомянутой области известны получаемые методом термовакуумного осаждения из паровой фазы покрытия на основе высокопрочного материала, имеющие хорошую износостойкость, но коэффициенты трения которых оставляют желать лучшего.

Из DE 102005063123 D3 известна слоистая структура, имеющая в порядке последовательности снаружи вовнутрь слой для ускорения приработки, связующий слой и слой защиты от износа. Однако оказалось, что характер фрикционных свойств в течение срока службы нуждается в улучшении.

US 6528115 касается элемента скольжения с покрытием из углерода с переменным соотношением sp²/sp³, которое, в частности, может убывать, если исходить от подложки, и снова возрастать в направлении наружной стороны покрытия.

В основу изобретения положена задача создания элемента скольжения двигателя внутреннего сгорания, в частности поршневого кольца, имеющего покрытие, гарантированно обладающее благоприятными фрикционными свойствами в течение максимально долгого промежутка времени.

Решение задачи осуществляется с помощью элемента скольжения, описанного в пункте 1 формулы изобретения.

Согласно этому элемент скольжения имеет DLC-покрытие типа ta-C, имеющее внутренние напряжения, изменяемые по толщине. Другими словами, по толщине покрытия создан по меньшей мере один градиент внутреннего напряжения. «DLC» «diamond-like-carbon» известным образом описывается как алмазоподобный углерод. Тип ta-C характеризуется тетраэдрической структурой, не содержит водорода и определен, например, в соответствии с VDI-директивой 2840 (VDI - Общество немецких инженеров). Такой слой обеспечивает, с одной стороны, хорошие фрикционные свойства и, кроме того, по следующим причинам имеет особенно большой срок службы.

С одной стороны, вариация внутренних напряжений по толщине слоя позволяет формировать большие толщины слоев, например, более 10 мкм, без возникновения проблем с адгезией или хрупкостью слоя. A именно было установлено, что, например, зоны низких внутренних напряжений слоя локально уменьшают напряжение или разгружают от напряжений весь слоистый комбинированный материал, т.е. предусмотренное, в частности, многослойным покрытие. Благодаря этому при больших напряжениях сдвига под нагрузкой, возникающих при использовании в двигателе внутреннего сгорания, предел текучести DLC-покрытия (алмазоподобное углеродное покрытие) не превышается. Следовательно, износ покрытия может успешно ограничиваться.

Для средней, т.е. расположенной не совсем снаружи и не совсем внутри области покрытия, оправдал себя отрицательный градиент внутреннего напряжения, который, предпочтительно, меньше отрицательного градиента внутреннего напряжения во внутренней, т.е. прилегающей к основному материалу, области покрытия. В результате внутреннее напряжение максимального уровня находится в покрытии сравнительно далеко наружу, что позволяет ожидать благоприятной характеристики. В этой связи средняя область имеет большую, предпочтительно значительно большую, примерно в три раза большую толщину слоя по сравнению с областью, расположенной внутри.

Предпочтительные усовершенствованные варианты выполнения элемента скольжения согласно изобретению описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Для перехода от покрытия к основному материалу элемента скольжения в нем, т.е. во внутренней области покрытия, если смотреть снаружи вовнутрь, отрицательный градиент внутреннего напряжения оказался предпочтительным. Другими словами, для достижения благоприятного перехода напряжения к основному материалу и хорошей адгезии слоя внутренние напряжения убывают в направлении основного материала до более низкого значения.

Для расположенной снаружи области, благоприятным оказался положительный, если смотреть снаружи вовнутрь, градиент внутреннего напряжения. Другими словами, внутреннее напряжение на наружной поверхности покрытия имеет сравнительно низкий уровень, что оказалось предпочтительным для благоприятной прирабатываемости. Однако, исходя из этого, внутренние напряжения сильно возрастают в направлении вовнутрь, так что достигаются вышеописанные эффекты.

В частности, в случае элементов скольжения, для которых следует ожидать экстремально высокого напряжения на единицу поверхности (контактное напряжение), благоприятной является постоянная низкая характеристика внутреннего напряжения в самой внутренней области, т.е. непосредственно примыкающей к основному материалу.

Кроме того, благодаря также постоянной сравнительно низкой, но предпочтительно с более высоким уровнем, чем в самой внутренней области, характеристике внутреннего напряжения, которая предусмотрена на наружной стороне покрытия, прирабатываемость может быть улучшена еще больше.

Для предотвращения развития трещин в покрытии в альтернативном, также описанном здесь варианте выполнения, в средней области предпочтительными оказались значительные знакопеременные внутренние напряжения. Размеры зон низких внутренних напряжений в этой связи меньше, равны или больше размеров зон с высоким внутренним напряжением.

Для периодичности, т.е. толщины между началом области низкого внутреннего напряжения через область высокого внутреннего напряжения до начала следующей области низкого внутреннего напряжения, допустимы значения от 0,01 до 1 мкм.

В общем, благодаря описанным мерам формируются покрытия толщиной 10 мкм или более, что, с одной стороны, способствует благоприятной прирабатываемости, однако одновременно представляет собой достаточную толщину слоя, чтобы после неизбежного износа обеспечить длительный срок службы с благоприятными фрикционными свойствами покрытия.

Для создания различных внутренних напряжений предпочтительным является, например, изменение соотношения между sp²- и sp³-гибридизированными атомами углерода. В частности, внутренние напряжения сжатия могут быть увеличены за счет повышения доли sp³, что в целом позволяет создание градиента внутреннего напряжения.

Это аналогичным образом проявляется при увеличении плотности, так что при изменении плотности слоя по его толщине ожидается возможность изменять внутренние напряжения предпочтительным образом по толщине слоя.

Наконец, следует иметь в виду изменение твердости слоя по его толщине, поскольку большая твердость приводит к большим внутренним напряжениям сжатия, так что в результате могут установиться также желательные градиенты внутреннего напряжения.

Ниже варианты выполнения изобретения в качестве примера более подробно поясняются со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 - характеристика внутреннего напряжения по толщине DLC-покрытия в первом варианте выполнения, а

фиг.2 - характеристика внутреннего напряжения по толщине DLC-покрытия во втором, не соответствующем изобретению, варианте выполнения.

На фигурах нанесены внутренние напряжения DLC-покрытия в зависимости от его толщины, причем самая наружная область покрытия расположена слева на диаграммах, а самая внутренняя область покрытия - справа. Другими словами, справа к покрытию с изображенными внутренними напряжениями прилегает основной материал, например, сталь или серый чугун.

В варианте выполнения на фиг.1 создан (снаружи вовнутрь) отрицательный градиент внутреннего напряжения исходя из внутренней области, или «основы», покрытия (зона III). Другими словами, внутренние напряжения на переходе к основному материалу являются особенно низкими, чтобы достичь хорошего перехода напряжения и хорошей адгезии покрытия. В средней области (зона II) внутреннее напряжение продолжает повышаться до максимального уровня, но с более низким градиентом. На наружной стороне (зона I) внутренние напряжения резко снижаются, другими словами, в направлении снаружи вовнутрь создан высокий положительный градиент внутреннего напряжения, что ведет к благоприятной прирабатываемости. При этом средняя область II явно больше внутренней III и/или наружной области I. Предпочтительно, средняя область II больше обеих указанных других областей I и III. Обе эти области I и III могут быть примерно одинаковой толщины. Средняя область II, предпочтительно, явно толще, чем обе другие области, и, в частности, примерно в три раза толще каждой из других областей I, III.

В варианте выполнения на фиг.2 в самой наружной зоне I внутренние напряжения сначала являются постоянными на низком уровне, а затем резко возрастают (зона I.2). Этим обеспечивается соответствующий нагрузке переход между зоной I и зоной II, в которой внутренние напряжения являются знакопеременными в широком диапазоне. А именно, в частности, при нагрузке от напряжения сдвига постоянное состояние с высоким внутренним напряжением оказалось чреватым опасностью образования трещин. Знакопеременные внутренние напряжения в зоне II препятствуют развитию трещин. В этой области периодичность “α” может располагаться, например, между 0,1 и 1 мкм. По аналогии с вариантом выполнения на фиг.1 к основному материалу примыкает зона III.1 (на фигуре справа) с большим отрицательным градиентом внутреннего напряжения, а в качестве непосредственно граничащей с основным материалом предусмотрена зона III.2 с постоянно низким градиентом внутреннего напряжения, чтобы достичь хорошего перехода напряжения к основному материалу и хорошего сцепления. Уровень внутреннего напряжения в зоне III.2, в частности, может быть ниже, чем в самой наружной зоне I.1, а в зоне II внутренние напряжения могут варьироваться между абсолютными максимальными значениями и уровнем, несколько более высоким, чем уровень в зоне I.

Следует уточнить, что области I обеих фигур, простирающиеся от точки D до точки С, в чем-то соответствуют друг другу. Это аналогичным образом относится к области II, т.е. к области между точками С и В, и к области III, другими словами, к области между точками В и А. В частности, вышеупомянутые соотношения толщин относятся также к фиг.2. Наконец, следует упомянуть, что отдельные признаки указанных вариантов выполнения могут комбинироваться друг с другом, если они не противоречат друг другу.

1. Элемент скольжения двигателя внутреннего сгорания, в частности поршневое кольцо, с DLC-покрытием типа ta-C, имеющим переменные по своей толщине внутренние напряжения и тем самым, по меньшей мере, один градиент внутреннего напряжения, отличающийся тем, что в средней области (II) покрытие в направлении снаружи вовнутрь имеет отрицательный градиент внутреннего напряжения, который, предпочтительно, меньше, чем в области (III), расположенной внутри, при этом область (III), расположенная внутри, имеет меньшую толщину слоя, чем средняя область (II), причем покрытие имеет толщину 10 мкм или более.

2. Элемент скольжения по п.1, отличающийся тем, что в области (III), прилегающей к основному материалу, покрытие в направлении снаружи вовнутрь имеет отрицательный градиент внутреннего напряжения.

3. Элемент скольжения по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что в области (I), расположенной снаружи, покрытие в направлении снаружи вовнутрь имеет положительный градиент внутреннего напряжения.

4. Элемент скольжения по п.1, отличающийся тем, что в самой внутренней (III.2) и/или в самой наружной области (I.1) покрытия внутренние напряжения являются в значительной степени постоянными.

5. Элемент скольжения по п.1, отличающийся тем, что в самой внутренней области (III.2) внутренние напряжения ниже, чем в самой наружной (I.1) области покрытия.

6. Элемент скольжения по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одной области с градиентом внутреннего напряжения имеет место переменное соотношение между sp²- и sp³-гибридизированными атомами углерода.

7. Элемент скольжения по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одной области с градиентом внутреннего напряжения имеет место переменная плотность слоя.

8. Элемент скольжения по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в одной области с градиентом внутреннего напряжения имеет место переменная твердость слоя.