Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца

Изобретение относится к способу покрытия, по меньшей мере, внутренней поверхности поршневого кольца, а также к поршневому кольцу. Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или DLC-слой, состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Ме - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм. Обеспечивается улучшение фрикционных свойств и/или характеристик износа по меньшей мере одного компонента, состоящего из двух частей маслосъемного поршневого кольца. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способу нанесения покрытия, по меньшей мере, на внутреннюю поверхность поршневого кольца.

Поршневое кольцо, покрываемое способом согласно изобретению, типично предназначается как компонент состоящего из двух частей маслосъемного кольца в поршне двигателя внутреннего сгорания. При этом собственно поршневое кольцо, которое находится в скользящем контакте с цилиндром или гильзой цилиндра, давит внутренней винтовой нажимной пружиной на стенки цилиндра. Поэтому при работе двигателя на внутренней поверхности поршневого кольца из-за динамической нагрузки возникает относительное движение между поршневым кольцом и винтовой нажимной пружиной. Это движение может привести к так называемому вторичному износу, который может проявиться на поршневом кольце 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 функции.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Документ DE 19651112 А1 относится к маслосъемному поршневому кольцу, полностью снабженному покрытием на штоке поршня двигателя.

В JP2006349019 (А) раскрыто поршневое кольцо с твердым углеродным покрытием.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основе изобретения стоит задача разработать способ покрытия поршневого кольца и предоставить покрытое поршневое кольцо, которое улучшает фрикционные свойства и/или характеристики износа по меньшей мере одного компонента состоящего из двух частей маслосъемного поршневого кольца.

Решение этой задачи достигается способом, описанным в пункте 1 формулы изобретения.

Предлагается способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или слой алмазоподобного углерода (DLC-слой), состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм, и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм.

Предпочтительно, если PVD-слой и/или DLC-слой наносят путем плазмохимического осаждения из газовой фазы (PA-CVD), осаждения в тлеющем разряде и/или магнетронного распыления импульсами высокой мощности (HIPIMS).

Также целесообразно, если покрытие наносят толщиной от 0,1 мкм до 10 мкм.

В предпочтительном варианте, металлсодержащий DLC-слой содержит нанокристаллические включения указанного металла или карбида металла, например WC, CrC, SiC, GeC и/или TiC.

В соответствии с настоящим изобретением, на поршневое кольцо, выполненное предпочтительно из чугуна или стали, посредством по меньшей мере одного из способов: PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), тлеющий разряд или способ высокой ионизации, как, например, HIPIMS, наносится PVD и/или DLC-слой. Для описанного способа было установлено, что с его помощью можно неожиданным и оригинальным способом образовать покрытие на внутренней поверхности поршневого кольца, имеющее хорошее качество и технологически осуществимое. Таким образом, впервые на внутренней поверхности поршневого кольца можно создать эффективную защиту от истирания винтовой нажимной пружиной или кольцевой пружиной. Следует упомянуть, что поршневое кольцо на своей внутренней стороне может иметь канавку для вмещения кольцевой пружины. Под "покрытием по меньшей мере на внутренней стороне" в этой связи понимается, что поршневое кольцо имеет покрытие на своей цилиндрической внутренней поверхности, предпочтительно по меньшей мере в тех зонах, например в зоне паза для кольцевой пружины, которые соприкасаются с кольцевой пружиной. Однако описанным здесь покрытием можно снабдить и другие поверхности, такие как фланцы и/или рабочую поверхность.

Для описанных слоев было установлено, что они имеют очень низкий коэффициент трения. Таким образом, следует ожидать, кроме того, низкий износ у кольцевой пружины, что выгодно. Наконец, описанные слои являются химически сравнительно очень стойкими, так что предотвращаются отложения, и выгодным образом достигается дальнейшее улучшение маневренности всей системы маслосъемного кольца. DLC-слой может иметь вид не содержащего водород слоя, в частности находиться в форме а-С или ta-C. Кроме того, допустим содержащий водород, но не содержащий металла слой, например, в форме а-С:Н или ta-C:H.

Предпочтительные усовершенствования описаны в зависимых пунктах.

Для толщины слоя, которая с выгодой удовлетворяет поставленным требованиям, был установлен диапазон от 0,5 мкм до 10 мкм.

Для PVD-слоя первые опыты дали особенно хорошие результаты, когда этот слой был образован из нитридов и/или карбидов по меньшей мере одного из металлов, включающих хром, титан, алюминий и вольфрам. При этом осаждение нитридов и карбидов можно проводить по очереди или одновременно.

Особенно хорошие результаты достигались для PVD-слоев с твердостью от 800 до 4000 HV0.1.

Для слоя аморфного углерода или DLC-слоя предпочтительна структура, которая содержит по меньшей мере один из следующих слоев и к основному материалу поршневого кольца сначала содержит адгезионный слой из хрома и/или титана толщиной слоя 1,0 мкм или меньше. С ним непосредственно граничит содержащий металл или полупроводник промежуточный слой, то есть а-С:Н:Ме с вольфрамом, титаном или хромом в качестве металла или а-С:Н:Х с X = кремний и/или германий в качестве полупроводника и/или с одним или несколькими из компонентов фтор, бор, кислород и азот. Толщина этого промежуточного слоя предпочтительно составляет от 0,1 мкм до 5 мкм. Описанная структура завершается не содержащим металла верхним слоем типа а-С:Н толщиной предпочтительно от 0,1 мкм до 5 мкм.

Особенно хорошие свойства были установлены для металлсодержащего промежуточного DLC-слоя, который содержит нанокристаллические включения металла или карбида металла, как, например, WC, CrC, SiC, GeC или TiC.

Для DLC-слоя выгодные свойства установлены при твердости от 2000 до 5000 HV0.002.

В дополнение к описанному вначале способу можно для DLC-слоя применять также напыление, и в частности способ тлеющего разряда с полым катодом.

Следует, кроме того, упомянуть, что на описанное здесь поршневое кольцо, у которого по меньшей мере его внутренняя поверхность имеет покрытие, можно также нанести покрытие в форме конструктивного решения, которое описано настоящим Заявителем в поданной в тот же день заявке, озаглавленной "Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента". Кроме того, описанное здесь поршневое кольцо, в частности, с покрытием на внутренней поверхности, можно выгодным образом комбинировать с винтовой нажимной пружиной, описанной в поданной в тот же день заявке под названием "Винтовая нажимная пружина для маслосъемного поршневого кольца в двигателе внутреннего сгорания и способ покрытия винтовой нажимной пружины", в одной из указанных там форм осуществления.

1. Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или слой алмазоподобного углерода (DLC-слой), состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что PVD-слой и/или DLC-слой наносят путем плазмохимического осаждения из газовой фазы (PA-CVD), осаждения в тлеющем разряде и/или магнетронного распыления импульсами высокой мощности (HIPIMS).

3. Способ по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что упомянутое покрытие наносят толщиной от 0,1 мкм до 10 мкм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлсодержащий DLC-слой содержит нанокристаллические включения указанного металла или карбида металла, например WC, CrC, SiC, GeC и/или TiC.