Винтовая нажимная стальная пружина для поршневого кольца

Изобретение относится к винтовой нажимной стальной пружине для поршневого кольца, выполненной с износостойким покрытием, которая может быть использована как компонент маслосъемного кольца в поршне двигателя внутреннего сгорания. Износостойкое покрытие содержит слои из CrN и металлсодержащие DLC-слои из а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, хром, титан, германий или кремний, причем количество слоев составляет от 10 до 200, а слои из CrN и слои из а-С:Н:Ме имеют толщину от 30 до 100 нм. Обеспечивается винтовая нажимная пружина с улучшенными фрикционными свойствами, износостойкостью и прирабатываемостью по меньшей мере одного компонента маслосъемного поршневого кольца, состоящего из двух частей. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к винтовой нажимной пружине, которая как компонент состоящего из двух частей маслосъемного кольца в поршне двигателя внутреннего сгорания предназначена для того, чтобы прижимать второй компонент такого маслосъемного кольца, а именно находящуюся в скользящем контакте с цилиндром или гильзой цилиндра так называемую основную часть к стенке цилиндра. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу покрытия такой винтовой нажимной пружины.

Как указывалось, в описанном, состоящем из двух частей маслосъемном кольце винтовая нажимная пружина находится на внутренней стороне системы, другим словами, между находящимися в скользящем контакте со стенками цилиндра основной частью поршневого кольца и дном канавки для поршневого кольца. Поэтому при работе двигателя из-за динамической нагрузки здесь возникает относительное движение между основной частью и винтовой нажимной пружиной. Это движение может привести к так называемому вторичному износу, который может проявиться в основной части в форме углублений в виде канавок, а на пружине в форме съема материала. Пружина может зацепляться за эти углубления, что может ухудшить маслосъемный эффект поршневого кольца. Кроме того, может происходить ослабление тангенциального усилия, необходимого для выполнения этой функции.

Из DE 102005019500 B4 известна винтовая нажимная пружина, которая покрыта не содержащим водорода слоями iC-графита.

EP 1717493А1 раскрывает винтовую прижимную пружину для маслосъемного поршневого кольца, которая по меньшей мере частично покрыта аморфным износостойким слоем графита.

Документ WO2009/121719 А2 относится к поршневому кольцу с металлсодержащим аморфным углеродным слоем и не содержащим металла аморфным углеродным слоем.

В основу изобретения положена задача создания винтовой нажимной пружины и способа ее покрытия, которыми можно улучшить фрикционные свойства, и/или износостойкость, и/или прирабатываемость по меньшей мере одного компонента маслосъемного поршневого кольца, состоящего из двух частей.

Решение этой задачи достигается, прежде всего, винтовой нажимной пружиной. Предусмотренное на ней покрытие отличается несколькими чередующимися слоями CrN и a-C:H:Me. В первых испытаниях было установлено, что благодаря такой слоистой структуре можно улучшить как срок службы, так и относительный коэффициент трения. Срок службы удлиняется, в частности, благодаря улучшению стабильности слоя. Кроме того, в первых испытаниях была установлена улучшенная прирабатываемость между пружиной и поршневым кольцом.

Для порядка следует упомянуть, что Me означает металл, и здесь в качестве металла могут применяться, например, вольфрам, хром, титан, германий или кремний. Как a-C:H:Me, так и упоминаемый далее слой a-C:H являются DLC-слоями и обеспечивают сравнительно низкий износ и хорошие фрикционные свойства. В частности, исходят из того, что несмотря на разное радиальное давление прижима и, тем самым, разные создаваемые скорости износа, например по периметру винтовой нажимной пружины, тем не менее, на поверхности все еще имеется, по меньшей мере частично, слой DLC, так что сохраняются хорошие фрикционные свойства, в частности, также в условиях недостаточной смазки. Это с выгодой комбинируется с преимуществами, которые предоставляет CrN-слой в отношении износа. Обычно более высокое, по сравнению с DLC, сопротивление износу CrN-слоя может быть с выгодой эффективным с самого начала или с момента истирания наружного DLC-слоя. Описанное многослойное покрытие имеет, кроме того, то преимущество, что можно реализовать заметно большие суммарные толщины, чем в обычных системах на основе DLC-слоев. Это объясняется в основном тем, что у DLC, по сравнению с CrN, более высокие внутренние напряжения можно в итоге компенсировать слоями CrN внутри покрытия.

Винтовая нажимная пружина предпочтительно выполнена из стали, в частности из CrSi- или CrNi-стали, закручена по существу в виде спирали и имеет соответственно два конца, которые из-за по существу круглой конфигурации пружины могут в состоянии сборки или в рабочем состоянии находиться рядом без зазора. Это место предпочтительно лежит по радиусу напротив стыка поршневого кольца. Следует упомянуть, что покрытие согласно изобретению можно наносить, например, на винтовую нажимную пружину, описанную в DE 102005019500 B4, вместо описанного там, не содержащего водорода слоя iC-графита. В частности, все отдельные признаки описанной там винтовой нажимной пружины в результате сделанной здесь ссылки становятся объектом настоящей заявки. Как описывается в указанном документе, маслосъемное поршневое кольцо может быть выполнено не замкнутым по кругу, но иметь так называемый стык, другим словами, зазор в окружном направлении. Винтовая нажимная пружина в этой зоне выполнена непрерывной и предпочтительно в области стыка и симметрично ему покрывается с вписанным углом от 5° до 60°. Во включенной ссылкой публикации вышеописанный угол к стыку поршневого кольца обозначен α. На внутренней стороне поршневого кольца предпочтительно имеется канавка, имеющая в поперечном сечении почти полукруглую форму, для вмещения винтовой нажимной пружины. Если смотреть в направлении оси винтовой нажимной пружины, она покрывается на обращенной к поршневому кольцу стороне предпочтительно с углом (β, согласно рассматриваемому документу) от 5° до 180°, предпочтительно симметрично средней плоскости. Кроме того, следует упомянуть, что заявителем в тот же день была подана заявка под названием "Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента", в которой указано аналогичное описываемому здесь покрытию на скользящем элементе, в частности поршневом кольце. Все признаки указанного там покрытия применимы также в покрытии, описываемом здесь. Далее описанное там поршневое кольцо в одной из указанных форм осуществления можно с выгодой комбинировать с описанной здесь винтовой нажимной пружиной, и эту комбинацию следует рассматривать как объект настоящей заявки. Кроме того, на поршневом кольце можно применять то же покрытие, в частности на внутренней поверхности, которое описано в поданной в тот же день Заявителем заявке "Способ покрытия по меньшей мере внутренней поверхности поршневого кольца, а также поршневое кольцо".

Предпочтительные усовершенствования описаны в дальнейших зависимых пунктах.

Для адгезии CrN-слоя к основе, то есть к винтовой нажимной пружине, предпочтительно из стали, выгодным оказалось сформировать адгезионный слой из хрома. Его можно, в частности, получить способом напыления, и он предпочтительно имеет толщину менее 0,5 мкм. В настоящее время в качестве минимальной толщины адгезионного слоя предпочтительна толщина 0,01 мкм.

Для наружного слоя винтовой нажимной пружины, которая сначала соприкасается с поршневым кольцом, предпочтителен не содержащий металла DLC-слой, другими словами, слой типа a-C:H. Такой слой обеспечивает наилучшую прирабатываемость. Выгодной показала себя толщина такого слоя от 0,1 до 5,0 мкм. Минимальная толщина слоя 0,1 мкм выгодна для хорошей прирабатываемости. Максимальная толщина слоя получается из минимальной адгезионной прочности, которая у толстых слоев меньше. Для описанного наружного или верхнего слоя допустимо также нанесение как на слой CrN, так и на слой a-C:H:Me.

Для отдельных слоев CrN и a-C:H:Me предпочтительна толщина от 30 нм до 100 нм. Толщина более 30 нм выгодна тем, что при последовательном нанесении гарантируется возможность проверки структуры слоя.

Полная толщина покрытия составляет предпочтительно, чтобы обеспечить хороший срок службы с хорошими фрикционными свойствами, от 0,5 до 10 мкм. В этой связи число отдельных слоев может составлять, например, от 10 до 200.

Для твердости CrN-слоя хорошо показали себя значения 800-1900 HV 0.002. Эта конфигурация может комбинироваться с твердостью не содержащего металла DLC-слоя 1700-2900 HV 0.002 и/или твердостью металлсодержащего DLC-слоя 800-1600 HV 0.002.

Ожидается, кроме того, что особенно хорошие свойства DLC-слоя, в частности металлсодержащего и/или не содержащего металла DLC-слоя, достигаются, когда он содержит водород.

Металлсодержащий DLC-слой может, кроме того, предпочтительным образом содержать нанокристаллические выделения металла или карбида металла, как, например, WC, CrC, SiC, GeC или TiC, что выгодно.

Решение названной выше задачи достигается, кроме того, способом.

В рамках способа согласно изобретению описанное покрытие можно предпочтительным образом получать комбинацией из способов PVD (термовакуумное осаждение из паровой фазы) и PA-CVD (химическое осаждение паров в плазменной среде).

Кроме того, раскрывается комбинация по меньшей мере одной вышеописанной винтовой нажимной пружины с поршневым кольцом, которое, в частности, имеет покрытие, описанное в вышеупомянутой, поданной параллельно заявке. Далее раскрывается комбинация образованного таким способом, состоящего из двух частей маслосъемного поршневого кольца с сопряженным элементом, в частности цилиндром или гильзой цилиндра двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя или ДВС с высоким наддувом, причем сопряженный элемент выполнен на основе железа или алюминия.

Далее с обращением к фиг. 1 подробнее поясняется предпочтительный пример осуществления изобретения.

Фиг. 1 показывает слоистую структуру согласно изобретению.

Как следует из фиг. 1, на материал-основу 10 скользящего элемента сначала наносят адгезионный слой 12 хрома. На него изнутри наружу по очереди наносят несколько слоев 14 a-C:H:Me и слоев 16 CrN. Наружный слой образован слоем a-C:H. В показанном примере он нанесен на DLC-слой, но он может также наноситься и на слой a-C:H:Me.

Изготовление осуществляют предпочтительно тем, что CrN-слои изготавливают способом PVD, слой a-C:H:Me - способами PVD и PA-CVD, а слой a-C:H - посредством PA-CVD.

1. Винтовая нажимная стальная пружина для поршневого кольца, выполненная с износостойким покрытием, которое содержит слои из CrN и металлсодержащие DLC-слои из а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, хром, титан, германий или кремний, причем количество слоев составляет от 10 до 200, а слои из CrN и слои из а-С:Н:Ме имеют толщину от 30 до 100 нм.

2. Пружина по п.1, отличающаяся тем, что на нее нанесен адгезионный слой из хрома (12), предпочтительно имеющий толщину от 0,01 до 0,5 мкм.

3. Пружина по п.1, отличающаяся тем, что наружный слой покрытия является слоем а-С:Н толщиной предпочтительно от 0,1 до 5,0 мкм.

4. Пружина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что покрытие имеет толщину от 0,5 до 10 мкм.

5. Пружина по п. 1, отличающаяся тем, что твердость CrN-слоя составляет 800-1900 HV 0.002, и/или твердость металлсодержащего DLC-слоя составляет 800-1600 HV 0.002.

6. Пружина по п. 1 или 5, отличающаяся тем, что по меньшей мере один металлсодержащий DLC-слой изготовлен методом PVD и/или PA-CVD.

7. Пружина по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена из хромокремнистой или хромоникелевой стали.