[发明专利]用于内燃机或压缩机的具有至少一个滑动面的元件

说明书

技术领域

本发明涉及这样一种元件，该元件在摩擦作用下于内燃机上进行滑动工作，并且该元件通过气相中的物理沉积而接受铬基陶瓷涂层，所述物理沉积是由大功率脉冲磁控溅射实现的，从而具有更低的内张力、高硬度以及低孔隙率。

背景技术

内燃机包括无数经受摩擦的元件，因此，由于这些元件承受发动机运转时的高应力而发生磨损。

保证滑动工作元件的耐磨损性从而使发动机具有较长/足够的使用寿命参数的途径之一是：在构建元件所用基底金属上施加一层或多层涂层。这种专门为抵抗磨损及磨耗所开发的涂层维持了滑动工作的元件的性能，即使在发动机的无数次爆发循环之后也是如此。

除了气缸、活塞、格板（panel）之外，内燃机还具有许多其他的具有至少一个滑动面的元件，这些滑动面能接受涂层以延长元件的使用寿命。这些元件中有些是轴承、气门传动机构的部件（挺杆、凸轮轴、凸轮凸部（lobe）等）。

就此而言，存在使用众多不同的涂层组成的不计其数的技术以及不计其数的施加工艺，这些技术和工艺均试图对用于内燃机且具有滑动面的各种类型及构造的元件进行性能和耐久性的优化。

最接近本发明的现有技术涂层是通过气相中的物理沉积工艺（物理气相沉积）而形成的由氮化物构成的陶瓷涂层，这种工艺在本发明中称作PVD工艺。

通过PVD工艺形成的氮化物涂层所表现出的内张力（inner tensions）随涂层厚度的变化而增大（参见图1）。这些张力通常为压缩性张力，并且随膜的生长而变得更有压缩性。

图1示出了氮化铬（CrN）涂层中压缩性内张力（compressive inner tension）的增大，该涂层是在450℃下，并且颗粒对基底的加速张力为175V的条件下，通过材料在靶表面上的溅射沉积而沉积得到的。

压缩性内张力随涂层生长而增大的这种现象是由如下事实造成的：在等离子体环境中，正离子被电场和磁场吸引到涂层生长的表面，因而将离子轰击到涂层上的能量导致膜中产生了压缩应力。

此外，氮化物膜在通常为数百摄氏度的环境中生长，其中，在涂层沉积于基底之后使膜冷却，由此，不同膨胀系数的存在促进了基底的更大收缩。因此，涂层材料与基底材料之间的不同膨胀促进了在氮化物膜中“形成”压缩性内张力。

这种压缩性内张力的存在带来各种缺陷，一方面限制了涂层厚度，另一方面则降低了具有涂层的所述元件可承受的工作负荷。应当注意到，由于内张力是压缩性内张力，因此其增加了元件所要承受的负荷值。

因此，在受到外部负荷的加压（例如，在用作机器或内燃机的构成部件时）时，涂层将承受由负荷所产生的张力，所以，涂层的初始张力越接近于中性值（或零内张力），则后者可承受的负荷越大，直至达到导致涂层破裂（裂纹核化(crack ncleation)及其生长）的张力为止。当压缩性内张力值和负荷值超过涂层所能承受的极限值时，就会产生涂层的位移，这会导致涂层的严重损坏。

关于涂层生长，人们观察到：诸如TiN之类的一些涂层由于其高张力而呈现出生长中的限制，由此，涂层不可能生长至高于2微米或3微米（μm）的厚度。

同样影响所述膜的耐性的另一情况是孔隙的存在。存在于涂层中的孔隙区域因其对材料的局部粘附力极低而具有缺陷。因此，根据孔隙的几何形状及数量，孔隙充当了或大或小规模的张力集中体（tension concentrators）。无疑地，高孔隙率损害了涂层的耐磨损性。

在此方面，涂层中相互作用的变量间的如下关系（following ratio）可反映出现有工艺中的氮化物陶瓷涂层模型。层厚度越大，所产生的压缩性内张力越高，而随着涂层中孔隙率的升高，这种情况会更加严重。根据现有技术所示的方案，这种相互关系最终限制了硬度值以及由此导致的耐磨损性。

这样的实例为文献US5,449,547以及US6,270,081，它们分别描述了具有CrCN/CrON以及CrN涂层的活塞环。应当注意到，这些涂层的硬度分别被限制在2200HV以及1800HV，第二篇文献提及孔隙率高于3%。

另外，文献US6,372,369披露了一种用于活塞环的涂层，该涂层由CrN和TiN制成，硬度在1300～2300HV范围内。应当注意到，当涉及氮化物单层涂层时，硬度值很难高于200HV，该硬度最高限度为由这种类型的涂层所存在模型关系导致的局限之一。