[发明专利]用于内燃机的滑动元件

说明书

本发明涉及一种用于内燃机(例如活塞环)的、具有涂层的滑动元件，所述涂层从内到外包含：金属粘合层(例如铬金属(BCC-Cr)或者其它需要的或期望的等同物)、由陶瓷材料(如碳化钨(WC1-x))构成的至少一个过渡层、金属(特别是钨)的DLC层、以及不含金属的DLC层等，并且所述涂层具有大于等于4μm且小于等于15μm的总厚度。

在本发明涂层中，所述不含金属的DLC层的厚度与所述金属层的厚度之比大于4，和/或全部层的总厚度与外层(a-C:H)的厚度之比大于1，优选为在1和1.4之间。粘合层应优选为铬。金属的DLC层被称为a-C:H:Me，在这种情况下，金属优选为钨时则称为a-C:H:W，该层具有多层结构，所述多层结构包括a-C:H层和a-C:H:W层。

钨可以促使DLC层之间具有良好的粘附性；并且作为中间层起到逐渐改变内部应力的作用，使得由基材(低内应力)到DLC层(高内应力)的内部应力突变最小化；此外，其还具有高的化学惰性和低的磨耗。最外层或顶层呈现含有碳和氢的无定形结构，并且可以被称为a-C:H。

由于上述构成，所以在摩擦和磨耗方面实现了特别有益的性能。较厚的顶层对这些典型的性能具有影响作用。与具有平均厚度的层相比，其具有较低的摩擦和较高的耐久性。当最外层(a-C:H)的厚度大于含金属的DLC层的厚度时，观察到特别好的摩擦值，因此二者的厚度比接近5，优选大于4；并且全部层的总厚度与外层(a-C:H)的厚度之比大于1，优选为在1和1.4之间。

这种构造使DLC层的减摩性和耐久性这两个问题得以解决。作为这种现象的解释，已发现：无金属的DLC层和一般的涂层在整个体系中会产生高应力，通过金属层和最外层厚度的合理组合、以及设置含有铬和碳化钨(WC1-x)的中间层能够减小所述应力，从而获得具有改善的耐磨性和低摩擦性的组合这样的涂层。

因此，可以得到具有合适的耐久性和低的摩擦性的活塞环。已知的是，不含金属的DLC具有较高的耐磨性和低摩擦性。然而，由于不含金属的DLC厚涂层具有高内应力，因此不可能制备这样的涂层；而采用本文所提出的构造，则可以建立起不含金属的DLC厚涂层，该涂层不会因高应力而变弱，其中，不含金属的DLC层与金属层的层厚之比为>4，和/或全部层的总厚度与外层(a-C:H)的厚度之比大于1，优选为在1和1.4之间；这赋予活塞环更长的使用寿命和更低的摩擦性，这是与通过下述DLC最外层加以保护的情况相比而言的，其中该DLC最外层只能保证低的耐磨性和短的使用期，并且金属DLC层在发动机启动时就暴露在外，因此使得该层具有高于不含金属的DLC层的摩擦性。本发明所述构造的滑动元件具有以下优点：例如，稳定性和耐久性提高，使配置有该滑动元件的内燃机具有长的商业服务寿命和低摩擦性。

相反，如果所形成的涂层中不含金属的DLC层与金属DLC层的层厚之比<4、和/或总厚度与外层(a-C:H)的厚度比<1，残余应力将无法得到补偿。由于运行过程中的高负荷(接触压力)，这导致了DLC层整体的过早磨损(即使最外层具有较大的厚度)或者DLC层的剥离。基于申请人近期广泛的研究已经证实，对于基本上介于4μm和15μm之间的厚度来说，不管厚度如何，本发明的涂层都能导致引人注目的有益的耐磨性和耐久性。

相关技术的描述

为了使内燃机可靠地并且按照设计者设计的参数运行，必须使它的内部组件即使在最严苛的操作条件下也具有高的耐久性。

为了确保发动机的耐久性以及高效的输出，组件(例如活塞环和轴承，以及其他)必须提供对持续滑动所产生的磨耗作用、高温、以及气缸内的燃烧产物的化学侵蚀和磨蚀作用的耐受性，因而要施加涂层以更好地承受发动机运行期间不停进行的循环过程。另外，该涂层应具有低摩擦性，因为内燃机中的摩擦损失多达能量的15％，进而导致燃料消耗更大，以及排放更多的污染气体。

在确定了构成这些部件的基本材料、发动机运行参数、制造成本等的前提下，不断地对施加到这些部件的涂层加以改进。

具体就活塞环来说，开发了一些目的在于使这些部件具有高的耐久性和低摩擦性的涂层。

文献DE 102009046281中公开了一种涂层，其涉及由钢或铸铁制成的活塞环，所述活塞环上设置有由不含金属的DLC层构成的、或者包含内部金属层和不含金属的顶层的涂层，通过PVD工艺(“物理气相沉积”)沉积的氮化铬(CrN)层，以及Me(CxNy)的陶瓷中间层。

将所述氮化层施加在所述环基体上，随后在该层上施加上述中间层。最后在所述中间层上施加所述DLC涂层。