[发明专利]滑动元件

说明书

本发明涉及一种滑动元件，尤其用于内燃机的活塞环(10)，其包括硬质非结晶碳涂层(15)，该涂层具有Rpk≤0.15μm以及0.7≤Rz≤1.5μm的轮廓。

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，其包括由硬质非结晶碳构成的涂层，该涂层设置有粗糙轮廓，粗糙轮廓能够促进滑动界面上的摩擦降低，并且降低磨损。

背景技术

内燃机无论是狄赛尔循环、奥托循环、两或者三冲程，均包括至少一个滑动元件，诸如活塞环。

在该方案中，活塞环作用为密封气缸衬套和活塞的主体之间的空间，隔离燃烧室与发动机的剩余内部部件。活塞环径向布置在活塞的主体的基底上，防止燃烧气体沿曲轴箱的方向逃离燃烧室，并且防止发动机的油渗入燃烧室。

一些内燃机、主要是利用狄赛尔循环操作的发动机在高负荷下工作。在高性能汽油发动机中能够发现其他例子。独立于能够引证的例子，发动机存在的趋势是以高速度以及高功率操作，同时降低间隙，结果，将受到严厉的摩擦行为。这种条件自然在其机械部件上更严格。在该方案中，这些发动机中利用的环具有高功率或者性能需要低摩擦、高硬度以及高耐磨性。

此外，重要强调的是，当联系到用于高性能以及耐久性的需要时，内燃机的环境影响以一般方式导致要求以更紧容差工作，这自然转换为利用逐渐薄层的润滑油。正如应该见于下文的，已经具体地开发了本发明以提供一种解决方案，在该解决方案中，良好性能来自于利用占主导地位的较少粘性油。

现有技术的活塞环大致包括硬质非结晶碳涂层，还公知为DLC (类金刚石)或者无氢的氢化纳米结构DLC，作为实现低摩擦以及高耐磨性的一个方案。

总之，现有技术的解决方案将DLC涂层施加于具有sp³和sp²键的成分中。不过，应该注意的是，凭借sp³键的高尺寸稳定性，其硬度超过sp²键时遇到的硬度。基于该原因，现有技术的多种解决方案利用具有被sp²(石墨类型)薄层涂覆的sp³的DLC层(钻石类型)。

为了更好地理解，sp²层凭借非常软以及润滑被利用以允许活塞环嵌入气缸衬套内，并且防止sp³层直接接触气缸衬套。这种考虑极其有效，这是由于这样的事实，除了sp³层会刻痕气缸衬套的可能性，存在于sp³层中的应力浓度非常高，使得其会产生灾难性后果：对于气缸衬套来说会使其产生刻痕，对于涂层来说具有破裂发生以及传播的可能性，这必然导致发动机工作寿命的缩减。

专利文献WO2010133633揭露了一种活塞环，其设置有厚度超过10微米的ta-C类型DLC涂层并且该涂层具有至少一个残余应力梯度以赋予该部件耐久性以及低摩擦。应该注意的是，DLC涂层的沉积所固有的高内部应力导致需要查找方案，诸如该文献的方案。但是，即使降低了残余应力，但是该方案也不能完全解决问题，这是由于这样的事实，凭借轮廓持续发生活塞环与衬套的接触界面，例如不能够确保气缸衬套不受到现有技术方案的典型磨损。

文献US2013/0140776描述了一种活塞环，其设置有厚度也超过10微米的ta-C类型DLC涂层，其中，涂层包含厚度从1至3微米的抛光层，其中，sp³的量减小至小于40％的值，目的在于确保更大量的sp²存在于该第二层中用于将活塞环嵌入气缸内。

同时，现有技术的解决方案涉及确保低摩擦以及高耐久性，发现的所有解决方案都需要界面或者存在促进嵌入的元件，诸如在活塞环的滑动区域中的较软层，或者添加促进这种效果的金属。此外，在现有技术中存在可替换方案，鉴于高应力，通过降低自然受到高内部应力以及高硬度的涂层的内部应力来维持涂层的功能整体性。