[发明专利]活塞环

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有新涂层的活塞环。

活塞环用在内燃机中以在上下移动的活塞和气缸壁之间提供尽可能理想的密封。此外，活塞环用于擦去位于活塞壁上的油，并保持上述油可以用于润滑。对于活塞环的基本要求是，在内燃机运行期间，在某种程度上极端的条件下，摩擦力尽可能最小并且使用寿命尽可能最长。这意味着满足要求的活塞环的磨损行为尽可能地长。

背景技术

WO 2007/020139A1描述了一种可以作为活塞环的基底，其具有粘合层、四面体碳的中间层和无定形碳的外层。

申请人的DE 10 2005 063 123 B3与例如活塞环的滑动元件有关，其包括磨损层和磨合层。

WO 2006/125683A1涉及具有涂层的活塞环，其从内向外包括具有群组IVB、VB或者VIB中的至少一个元件的第一中间层，具有类似钻石的、纳米复合组合物的第二中间层以及类似钻石的碳层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞环，其能够以比现有技术中已知的活塞环更少的工时来制造并且同时满足与摩擦值和/或使用寿命有关的要求。

这个目的是通过权利要求1所述的活塞环来实现的。

因此，上述活塞环从内向外包括涂覆在基体材料上的粘合层、含金属的无定形碳层和不含金属的无定形碳层。由于这种层结构，就不再需要现有技术中常见的具有磨合层和单独形成的磨损保护层的结构。已知的磨损保护层大多形成为氮化物层并且需要使用具有高铬含量的钢，其比较昂贵。与之相比，根据本发明不需要高含量的铬，因此可以低成本地生产上述新的活塞环。因此，也可以看出本发明的基本构思在于，基底上的新碳涂层仅设置有薄粘合层以促进基底和碳层之间的粘合，而未插入单独的磨损保护层。

如下文将详细描述的，测试已经表明，根据本发明的活塞环的摩擦系数是持续低的。在这个方面，新活塞环因此提供了长的使用寿命。这也适用于磨损，为此我们已经发现，磨损处于保证长的使用寿命的限度内。含金属的无定形碳层可以根据传统名称(cf.VDI Guideline 2840)表示为缩写a-C:H:Me。不含金属的无定形碳层的相应的表示为a-C:H。可以涂覆不含金属的碳层，例如作为在PACVD(离子加强化学气相沉积)方法内的单独处理步骤的部分。两个无定形碳层都是DLC(类似于钻石的碳)层。

在含金属的碳层中多数是sp²键。由于这个特性，可以发现根据本发明的活塞环具有活塞环所需要的特性。特别地，碳键的整个百分比的比例从20％到70％变化。

关于不含金属的碳层，sp³键的分量(fraction)高于含金属的碳层中sp³键的分量。当增强的电阻(Ohm)产生时，提供了优选的sp³键的分量。虽然传统的DLC涂层具有在小于100Ohm的范围内的电阻，但是根据本发明的层的优选增强电阻大于5000Ohm，尤其是大于5000kOhm并优选地小于10kOhm。

在另外的权利要求中描述了优选实施例。

已经发现钢或者铸铁特别适于作为根据本发明的活塞环的基体材料。

优选地，粘合层包含铬并且特别地可以主要由铬构成。已经发现这种粘合层包括在基体材料和含金属的无定形碳层之间促进粘合的理想特性。

基于测试结果，目前对于粘合层有利的最大厚度为2μm，优选为大约0.5μm。

关于包含在含金属的碳层中的金属，目前有利的是钨。对此，在测试中发现了特别良好的特性。

类似地，这可以应用到含金属的碳层中的金属含量朝外部减少的优选实施例中。

关于厚度，优选地，含金属的碳层具有从大约1.5μm到17μm的厚度。特别地，已发现大约1.5μm的层厚度具有良好的表现。

此外，在含金属的碳层包含纳米晶碳化物相的实施例中，发现了特别良好的特性。

此外，如果不含金属的碳层具有从大约1μm到15μm的厚度，尤其是大约1μm时，已发现设置有该不含金属的碳层的活塞环具有良好的特性。

优选地，含金属和/或不含金属的碳层还包含氢。可用的氢对于碳的交联(cross-linking)程度具有影响，从而产生了特别硬的层。

关于涂覆到基体材料上的各个层的总厚度，目前优选为≥大约2.9μm并且优选为≤大约30μm。这有利地构成了与之前已知的大多更薄的DLC层的差别。由于根据本发明可以实现的厚度，可以获得如下益处：由于DLC层同时充当磨合与磨损保护层从而不需要单独的磨损保护层。