[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的滑动元件，所述滑动元件设置有包括两个硬质无定形碳(DLC)层(14，15)的涂层，所述两个硬质无定形碳层具有不同的sp³键百分比和厚度，以及具有等于或超过50％的Rmr(0.3‑0.5)和/或具有等于或超过70％的Rmr(0.4‑0.5)、具有小于0.07微米的Rpk的粗糙度轮廓，除了减小摩擦和磨损，还能够带来良好的运行状况和两个滑动表面之间更好的接触，并且确保了高硬度。

技术领域

本发明涉及一种滑动元件，诸如用于内燃机的活塞环，其设置有涂层，所述涂层包括两层硬质无定形碳并且具有粗糙轮廓，除了减小摩擦和磨损，所述粗糙轮廓能够带来良好的运行条件和两个滑动表面之间的更好的接触，并且确保了高硬度。

背景技术

无论是狄赛尔循环(Diesel cycle)、奥托循环(Otto cycle)、两个或三个冲程，内燃机都包括至少一个活塞环。活塞环用于密封汽缸衬套与活塞本体之间的空间，将燃烧室与发动机的其他内部部件隔离。活塞环沿径向布置在活塞本体的基部上，防止燃烧气体在机油箱的方向上从燃烧室逸出并且防止发动机油渗入到燃烧室中。

通常，发动机设置有三个环，所述三个环平行地位于布置在活塞本体的基部的凹槽中，是两个压缩环和一个刮油环。所述压缩环更靠近活塞头部并且密封活塞与衬套之间存在的间隙，使得活塞能够压缩空气-燃料混合物以进行燃烧，并且随后保持气缸的气密性。所述刮油环具有如下明显的功能：将在压力下抛出的过量润滑油刮到衬垫壁上。

一些内燃机，主要是通过狄赛尔循环运行的发动机，在高负荷下工作。其他示例可以在高性能汽油发动机中找到。独立于可能引用的示例，存在发动机在高速和高功率、减小的间隙下运行，并因此经受苛刻的摩擦学状况的趋势。关于其机械部件，这样的条件自然更严格。在这种意义上，在这些高功率或高性能的发动机中使用的环需要低摩擦、高硬度以及高耐磨性。

而且，重要的是要强调内燃机的环境影响，当与高性能和耐久性的需求放在一起时，导致需要以更严格的公差工作的一般方式，这自然转化为越来越薄的润滑油层的利用。

除了更薄之外，还通过低粘度的油获得润滑油层，确保滑动部件之间的较低摩擦。然而，油膜越薄并且其粘度越低，则滑动部件之间的接触可能性越大。

一般而言，通过蒸汽沉积工艺，尤其是物理气相沉积(PVD)和等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)工艺，实现了涂层在用于在高负荷下工作的发动机的环上的应用。重型柴油发动机第一个通过阴极电弧沉积(Arc-PVD)涂覆的氮化铬(CrN)涂层。近年来，由于出色的耐磨性和确保的耐久性，由PVD涂覆的涂层也开始用于轻型发动机(汽油和柴油)的活塞环。

现有技术中存在的活塞环通常包括硬质无定形碳(也已知为类金刚石碳(DLC))或无氢氢化DLC纳米结构涂层，作为实现低摩擦和高耐磨性的技术方案。通常，现有技术的技术方案在包含sp³(金刚石型)和sp²(石墨型)键的组合物中应用DLC涂层。然而，应该注意的是，由于sp³键的三维(3D)结构，其硬度超过在sp²键中遇到的硬度。

为了更好地理解，sp²结构由于赋予极软的特性和润滑剂材料，因而对于促进汽缸衬套内的环的嵌入和抵消与汽缸衬套接触的sp³结构是重要的。由于以下的事实，这样的担心是非常正当的：除了能够对汽缸衬套进行刻划的sp³结构之外，sp³结构中存在的应力集中非常高，使得其对于所刻划的汽缸衬套以及对于致使裂痕发生的可能性及其传播的涂层二者都会产生损失严重的后果，因此导致部件的使用寿命的减少。由于这样的原因，现有技术的各种技术方案改变为利用DLC涂层，其呈现主要的sp²键，具有降低摩擦和内部应力的目的。