[发明专利]活塞环

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的活塞环和根据权利 要求16前序部分所述的用于涂覆活塞环的方法。

动力机和工作机器中的高应力滑动元件(例如活塞环)通常在工 作面和/或环凸缘上设置有耐磨层，从而能够满足对寿命的持续提高的 要求。较高的汽缸压力、直接喷射、废气再循环和新的发动机研发的 其它构造特征(例如替代性汽缸材料、新的燃油)以及油耗的最小化 提高了活塞环的负荷。从环境保护和未来原料形势的意义上讲，节约 燃油变得越来越重要。减少燃料的重要手段在于最小化发动机中的摩 擦。此外，从环境保护和发动机规定的更长寿命的意义上讲，重要的 是尽可能地减少活塞环的自身磨损和特别是汽缸工作表面的磨损，从 而能够维持废气极限值。

滑动元件已经设置有耐磨层，所述耐磨层经由热喷射法、电镀法 或薄层技术施加或者通过热处理和扩散方法形成。这些涂层通常通过 其层厚来重构并且基本上均匀施涂。

为了最小化损耗并且为了改进这些涂层的断裂韧性(硬度和韧性 或延展性的比例的优化)和粘附性，也越来越多地使用多层体系。

通过合适地选择取决于体系的单层厚度，多层涂层的硬度可以达 到比单层的硬度更高的值。施加在活塞环上的由氮化铝和氮化铬形成 的多层涂层具有极好的磨损性能(参见DE 10 2006 046 917 A1)以及 良好的导热性能和因此良好的抵抗烧痕形成和抵抗侵蚀的良好耐受性 (参见DE 10 2007 035 502 A1)。

为了作为具有氮化铬的多层涂层的涂层的最佳磨损行为，实现了 包含氮化铝的涂层的高导热性和因此耐侵蚀性。在通过阴极电弧蒸发 进行批量沉积时，铝滴嵌入涂层中，这些滴被称为微滴或熔体喷雾。

DE 10 2007 035 502 A1中公开了导热率为至少180W/(m·K)的合 金。这种合金仅允许在低熔点组分中具有极低量的高熔点组分。这种 已知涂层虽然具有良好的导热率，但是在合金中存在具有极大直径的 微滴，所述直径主要在15至20μm的范围内。经由PVD法施加的涂 层的导热率不仅取决于材料，还取决于涂层结构、生长缺陷和微滴含 量。尽管钛具有16W/(m·K)的导热率而铝具有200W/(m·K)的导热率， 但例如TiAl6V4的导热率仅为6.3W/(m·K)(在20℃的温度下)。

由Thomas Schülke等人在Surface and Coatings Techn.(120-121 (1999)226-232)中的“Comparison of DC and AC arc thin film  deposition techniques”已知，通过等离子体过滤减少微滴数目或阻碍 微滴在基材上的沉积。

在K.Keutei等人的IEEE18^th Int.Symp.On Discharges and  Electrical Insulation in Vacuum-Eindhoven-1998中的“Modified pulse  arc deposition for reducing of droplet emission”中，提出一种改变的脉 冲电弧沉积法用于减少微滴。

本发明的目的在于提供具有耐磨层的活塞环，所述耐磨层不仅具 有较少的自身磨损而且在配合体上也造成少的磨损。本发明的目的还 在于提供用于活塞环的这种改进的耐磨层的制备方法。

通过根据权利要求1所述的活塞环实现所述目的。这种在磨损方 面改进的耐磨层的制备方法为权利要求16的主题。

耐磨层可以由单层涂层或具有多个单层的多层涂层组成。

活塞环具有耐磨层，所述耐磨层具有至少一种熔点为T_m≤700℃ 的第一低熔点元素。在所述涂层中还包含至少一种熔点为T_m>760℃ 的第二高熔点元素。第一低熔点元素的熔点优选低于700℃，优选低 于600℃，特别是低于500℃。第一低熔点元素的熔点的下限为100℃。

第二高熔点元素的熔点优选高于1000℃，特别优选高于1400℃， 特别是高于1500℃。

该第一和第二元素优选为金属。也可以使用非金属(例如Si)作 为第二元素。

此外，在所述耐磨层中存在直径为D的微滴，所述微滴至少包含 低熔点元素，其中至少90％的微滴具有1μm≤D≤10μm的值。