內燃機護套的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種內燃機護套，所述護套的內側被處理成完全光滑并且接納DLC型的涂層。
【專利說明】內燃機護套
[0001] 本發明涉及內燃機護套。
[0002] 更具體地，本發明涉及意圖減少摩擦損失的內燃機護套或相似幾何結構的物體的 處理。本發明發現對汽車領域特別有利的應用，而這并非限制。
[0003] 本領域的技術人員完全已知的是在環上使用DLC(類金剛石）型涂層以降低大多 數金屬的摩擦系數。例如，這對內燃機的環、活塞、護套組件確實如此，其中摩擦可能大約產 生從30 %至40%的發動機損失。
[0004] 為了試圖減小摩擦系數，已提供的是，將DLC型的涂層應用于環，如例如從文獻TO 2011/051008的教導中顯現的。然而，這樣的解決方案并不令人滿意。
[0005] 從運動學的觀點來看，應提醒的是，環經受比護套更強的磨損。實際上，環的點在 活塞的返回循環中與護套永久性接觸，然而護套的點與環接觸持續非常短的時間。
[0006] 此外，為了獲得令人滿意的結果，有必要應用非常厚的DLC涂層，伴隨著厚度通常 大于10ym，這是經濟上的缺點并且提出顯著的技術困難。
[0007] 實際上，DLC層的大厚度在環上產生顯著的粗糙度，使得在沉積之后需要進行修 正，沒有所述修正護套的磨損將是不可接受的。還可以觀察到的是，環達到高溫，這可能不 利地影響DLC涂層。
[0008] 如指出的是，因為在護套的情況下磨損是較低的，已提供的是，在護套的內表面的 水平下進行以試圖減小摩擦。
[0009] 為了此目的，根據現有技術的教導，發動機護套經歷精加工操作，所述精加工操作 包括產生空心圖案，所述空心圖案具有在所考慮的機械接觸中保持潤滑的作用。被稱為"珩 磨（honing) "的這樣的精加工操作被直接應用在護套中或在被應用在所述護套內側的厚涂 層中。例如，這種類型的解決方案從專利EP0716151的教導中顯現，所述專利EP0716151 涉及使其內側用厚的沉積物覆蓋的護套，所述厚的沉積物通過熱投射、并且然后經受珩磨 步驟形成，所述珩磨步驟除去至多10um的沉積物厚度。
[0010] 還可以提到涉及在應用涂層之后進行的珩磨步驟的文獻W0 2009106981。
[0011] 因此，從現有技術中顯現，用來試圖在護套水平下減小摩擦并且限制堵塞風險的 解決方案全部需要產生提高的區域所必需的珩磨步驟以在所考慮的機械接觸中例如在環 和護套之間保持潤滑。
[0012] 這樣的解決方案在護套壁上需要大量的油。部分的功率在膜剪切中被損失。
[0013] 本發明意圖以簡單、可靠、高效以及合理的方式克服這些缺點。
[0014] 本發明意圖解決的問題是抑制珩磨護套的內側以使在護套壁上油的量最小化并 且減小在油膜剪切中損失的力。
[0015] 還意圖減小環的磨損以在發動機壽命期間保持分段的最佳緊密性。
[0016] 為了解決這樣的問題，已經設計并且開發了使其內側被處理成完全光滑的以便接 納DLC型涂層的內燃機護套。
[0017] 這些特征導致使用例如拋光的并且用DLC涂覆的完全光滑的護套顯著地減小由 活塞環與護套的摩擦的損失，并且間接地減小發動機的co2排放。低粗糙度的使用還能夠 減小環的磨損并且因此在發動機壽命期間保持高性能水平（壓縮率或耗油率）。最后，在護 套的內側使用DLC涂層能夠去掉最后的珩磨步驟以及其產生的缺點。
[0018] 在沉積之前，護套表面的粗糙度Ra小于0. 06i!m并且有利地小于0. 04i!m。
[0019] 有利地，包含DLC層的涂層的總厚度小于10 iim并且優選地小于7 iim并且有利地 小于或等于4iim。
[0020] 發動機護套由金屬型的材料制成，所述金屬型的材料能夠經受拋光操作以獲得低 粗糙度。作為非限制性的指示，護套由鋁合金、鋼、不銹鋼…制成。
[0021] 當所述護套具有大于其直徑的長度時通過實施特別適應的方法將DLC涂層應用 到護套的內側，或當所述護套的長度小于其直徑或具有其直徑的數量級時通過實施更常規 的方法將DLC涂層應用到護套的內側。例如，DLC涂層通過真空沉積技術來應用于護套的 內側，所述真空沉積技術包括以已知方式的離子蝕刻步驟以及對應于實際沉積的步驟。
[0022] 離子蝕刻包括用大量離子濺射表面。表面原子被噴出，由此，不利地影響沉積物的 附著的表面氧化物被除去。表面氧化物的蝕刻沒有對表面狀態帶來改變。沉積包括裂解烴 比如乙炔、甲烷、…，這在部件的表面上凝聚以形成DLC涂層。為了能夠結合DLC，預先使用 能夠形成沉積物并且能夠使DLC與其結合的底層，所述沉積物與形成護套的材料結合。這 樣的底層可以通過PVD技術或通過PACVD技術沉積。與護套或等效構件的內側的處理相關 的困難涉及等離子體的均勻性和產生的處理。等離子體可以通過極化護套產生或從輔助的 等離子體源中產生，根據其幾何結構即根據相對于其直徑的其長度，所述等離子體源被設 置在護套的內側或外側。
[0023] 在下文中，借助于不同的實施例和實施方案更詳細地討論本發明，這考慮到將DLC 涂層應用于根據本發明的特征的完全拋光的護套的內側和已經經歷根據現有技術的珩磨 操作的護套的內側。
[0024] 在第一實施方案中，具有72mm的直徑和150mm的長度的兩個鋼的發動機護套已經 用DLC涂覆。根據本發明，護套中的一個的內表面已經預先通過化學-機械拋光型技術來 拋光，使得Ra小于0. 02ym。第二發動機護套已經經受比如根據現有技術進行的珩磨操作。 這樣的第二護套的Ra為0. 25ym，并且其具有負的RSk。負的RSk值表明存在珩磨凹槽。
[0025] 在清潔之后，護套已經被放置在真空盒（vacuumenclosure)中。在抽吸期間，真 空室和護套通過在200°C下輻射加熱被常規地脫氣。當真空已經達到IX1(T5毫巴級的壓力 時，將氬氣引入到真空室中以獲得IPa的壓力，并且護套采取-500V的高負值以進行離子蝕 亥IJ，使得能夠除去覆蓋鋼的天然氧化物以促進涂層的結合。在蝕刻后，通過使用被放置在護 套內側的具有30mm的直徑的柱形磁控管陰極在每個護套的內側進行碳化鎢型的沉積。用 于這樣的沉積的靶標由碳化鎢制成。應用至陰極的功率密度為5W/cm2級。在碳化鎢沉積 期間，乙炔在漸增的流速下被引入，使得沉積物的結構從碳化鎢變化至包含鎢的無定形碳 基體。最后，通過在〇. 9Pa的壓力下、在乙炔氣氛中將該部件帶至-450V的電壓來沉積DLC 型的碳層。
[0026] 這些操作導致在每個護套內側的DLC型沉積物，其特征為通過記為HF1至HF3的 洛氏壓痕（Rockwellindentation)來結合。由calotest測定的沉積物的厚度表明底層具 有0? 7ym的厚度并且DLC具有2. 5ym的厚度。
[0027] 在第二個被認可的實施方案中，具有72mm的直徑和150mm的長度的兩個鋼 的發動機護套已經用DLC涂覆。根據本發明，第一護套的內表面已經預先通過磨光型(buffing-type)技術來拋光，其中浸漬有研磨膏的織物的圓盤在護套的內側旋轉，使得Ra 小于0. 04ym。第二發動機護套已經經受比如根據現有技術進行的珩磨操作，并且其Ra為 0. 25um〇
[0028] 在清潔之后，護套已經被放置在真空盒中。在抽吸期間，真空室和護套通過在 200°C下輻射加熱被常規地脫氣。當真空已經達到1X1(T5毫巴級的壓力時，將氬氣引入到 真空室中以獲得IPa的壓力，并且護套采取-500V的高負值以進行離子蝕刻，使得能夠除 去覆蓋鋼的天然氧化物以促進涂層的結合。在蝕刻后，通過使用被放置在護套內側的具有 30mm的直徑的柱形磁控管陰極在每個護套的內側進行碳化鉻型的沉積。在此實例中，柱形 磁控管陰極用碳化鉻靶標覆蓋，5W/cm2的功率密度被應用至所述碳化鉻靶標。在碳化鉻沉 積期間，乙炔在漸增的流速下被引入，使得沉積物的結構從碳化鉻變化至包含鉻的無定形 碳基體。最后，通過在〇. 9Pa的壓力下、在乙炔氣氛中將該部件帶至-450V的電壓來沉積 DLC型的碳層。
[0029] 這些操作導致在每個護套內側的DLC型沉積物，其特征為通過記為HF1至HF3的 洛氏壓痕來結合。由calotest測定的沉積物的厚度表明底層具有0. 8ym的厚度并且DLC 具有2.7iim的厚度。
[0030] 在第三個被認可的實施方案中，具有86mm的直徑和150mm的長度的兩個不銹鋼 的發動機護套已經用DLC涂覆。第一護套的內表面已經預先通過電解沉積技術來拋光，使 得Ra小于0. 03ym。第二發動機護套已經經受比如根據現有技術進行的珩磨操作，這提供 0? 25um的Ra。
[0031] 方法的其余部分與第二個實施方案相同。
[0032] 這些操作導致在每個護套內側的DLC型沉積物，其特征為通過記為HF1至HF3的 洛氏壓痕來結合。由calotest測定的沉積物的厚度表明底層具有0. 8ym的厚度并且DLC 具有2.7iim的厚度。
[0033] 在本發明的第四個被認可的實施方案中，具有92mm的內徑和88mm的長度的兩 個鋼的發動機護套已經用DLC涂覆。第一護套的內表面已經經受織物拋光，這提供小于 0. 03ym的粗糙度。與其內徑相比，護套的長度使得能夠使用更常規的沉積技術，即等離子 源被放置在護套的外側。第二發動機護套已經經受比如根據現有技術進行的珩磨操作，并 且其Ra為 0. 25iim。
[0034] 在這些護套已經被清潔之后，其被置于機械組件上，所述機械組件使護套能夠根 據行星運動自身旋轉并且在機器的內側旋轉、使處理能夠穿透護套的2端。在200°C下通過 加熱將真空機脫氣之后，護套在〇. 3Pa的壓力下、在氬氣氣氛中被蝕刻。通過將護套采取到 相對于機器壁的-150V的電壓來進行蝕刻。氬等離子體在350W的功率下由ECR微波系統 形成。在蝕刻之后是使具有從0. 1至0. 2ym范圍的厚度的薄的鉻層沉積，所述薄的鉻層由 平面磁控管陰極形成，所述平面磁控陰極管裝備有鉻靶標以具有應用到其的5W/cm2的功率 密度。然后，碳化鎢層通過平面磁控管陰極的濺射來形成以獲得1.5i!m的厚度。為了獲得 這個，第二陰極裝備有具有應用到其的5W/cm2的功率密度的碳化鎢靶標。然后，乙炔在漸 增的流速下被引入以獲得能夠與DLC結合的層。最后，DLC在乙炔氣氛中、在IPa的壓力下 通過將護套極化至-500V來沉積以獲得2. 2ym的厚度。
[0035] 這些操作導致在護套內側的DLC型沉積物，其特征為通過記為HF1至HF2的洛氏 壓痕來結合。由calotest測定的沉積物的厚度表明底層具有1. 7iim的厚度（0. 2+1. 5)并 且DLC具有2. 2iim的厚度。
[0036] 在第五個實施方案中，意圖用于汽車競賽的具有92mm的直徑和80mm的長度的兩 個鋼的發動機護套已經用DLC涂覆。護套中的一個的內表面已經預先通過化學-機械拋光 型技術來拋光，使得Ra小于0. 06ym。第二發動機護套已經經受比如根據現有技術進行的 王行磨操作，并且其Ra為0. 25iim。
[0037] 在清潔之后，護套已經被放置在真空盒中。在抽吸期間，真空室和護套通過在 200°C下輻射加熱被常規地脫氣。當真空已經達到1X1(T5毫巴級的壓力時，將氬氣引入到 真空室中以獲得〇.3Pa的壓力，并且護套在由設置在機器壁上的微波源產生的等離子體中 采取-150V的高負值以進行離子蝕刻，使得能夠除去覆蓋鋼的天然氧化物以促進涂層的結 合。在整個處理中，護套在機器中根據行星運動移動以便經受不同的等離子體源。在蝕刻之 后，通過使用在沉積設備的壁上的平面磁控管陰極在護套的內側進行碳化鎢型的沉積。平 面靶標由碳化鎢形成并且5W/cm2的功率密度被應用到其以進行沉積。在碳化鎢沉積期間， 乙炔在漸增的流速下被引入，使得沉積物的結構從碳化鎢變化至包含鎢的無定形碳基體。 最后，通過在0. 4Pa的壓力下、在乙炔氣氛中將該部件帶至-380V的電壓來沉積DLC型的碳 層。等離子體由設置在機器壁上的微波源產生。
[0038] 這些操作導致在每個護套內側的DLC型沉積物，其特征為通過記為HF1至HF2的 洛氏壓痕來結合。由calotest測定的沉積物的厚度表明底層具有1. 7iim的厚度并且DLC 具有2.5iim的厚度。
[0039] 在不同的處理之后，10mm的寬度的條帶根據護套的長度來切割以在摩擦學上表征 涂層。
[0040] 對于這些測試，已經使用A.C.線性摩擦計。用CrN沉積物或用DLC涂層涂覆的鋼 球已經被用來對不同的護套部分進行摩擦測試。除了代表在環上沉積的層的沉積物的厚度 為15ym之外，球通過PVD(磁控管陰極濺射）用CrN被常規地涂覆。類似地，用DLC涂覆 鋼球包括：PVD具有1ym厚度的純Cr的底層；隨后PVD具有3ym的厚度的包含碳化鎢的 層，隨著其被拉離鋼表面，其漸進地富含碳。最后，DLC層由PECVD形成，其厚度為6iim，所 述DLC層提供10ym的總涂層厚度。具有0. 02ym的初始Ra的平面拋光的參考元件與球 同時用DLC涂覆。在沉積之后，在此平面拋光的參考元件上的粗糙度已經變為0.08iim。這 樣的粗糙度增加由涂層厚度誘發。
[0041] 5N的負載被應用至球，這導致540MPa的初始平均接觸壓力。球具有相對護套部分 的以平均35mm/s速度的交替的滑動運動。速度根據由凸輪獲得的正弦定律變化。行進長 度為10mm。對于這些測試，將SAE5W30型的發動機油滴引入到接觸中。測試在110°C溫度 下進行。在15, 000次循環后，使摩擦系數以及球的磨損和護套部分的磨損升高。球的磨損 通過測量摩擦痕跡的直徑來量化,然而護套部分的磨損通過橫穿摩擦痕跡的輪廓測定法來 量化。選擇的參數全部能夠在對應于在高中性點和低中性點附近遇到的負載的極限負載下 操作。這樣的負載是大部分的摩擦損失和接觸部分的磨損的原因。
[0042]
【權利要求】
1. 一種內燃機護套，其特征在于所述護套的內側被處理成完全光滑并且接納DLC型的 涂層。
2. 如權利要求1所述的內燃機護套，其特征在于所述涂層的厚度小于10 μ m。
3. 如權利要求1所述的內燃機護套，其特征在于所述涂層的厚度小于7 μ m。
4. 如權利要求1所述的內燃機護套，其特征在于所述涂層的厚度小于或等于4 μ m。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的內燃機護套，其特征在于其由金屬型的材料制成， 所述金屬型的材料能夠經受拋光操作以獲得低粗糙度。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的內燃機護套，其特征在于所述DLC涂層通過真空 沉積技術被應用到所拋光的護套的內側，所述真空沉積技術包括離子蝕刻步驟和對應于實 際沉積的步驟。
7. 如權利要求1所述的內燃機護套，其特征在于在沉積之前所述護套表面的粗糙度值 Ra 小于 0. 06 μ m。
8. 如權利要求1所述的內燃機護套，其特征在于在沉積之前所述護套表面的粗糙度值 Ra 小于 0. 04 μ m。
【文檔編號】C23C16/00GK104271929SQ201380023022
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年5月6日 優先權日:2012年5月3日
【發明者】克里斯托弗·埃奧, 勞倫·波姆比倫, 菲利普·毛林-佩里耶 申請人:H.E.F.公司