RU2558024C2 - Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента - Google Patents

Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента Download PDF

Info

Publication number
RU2558024C2
RU2558024C2 RU2012142813/02A RU2012142813A RU2558024C2 RU 2558024 C2 RU2558024 C2 RU 2558024C2 RU 2012142813/02 A RU2012142813/02 A RU 2012142813/02A RU 2012142813 A RU2012142813 A RU 2012142813A RU 2558024 C2 RU2558024 C2 RU 2558024C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
metal
piston ring
crn
coating
Prior art date
Application number
RU2012142813/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012142813A (ru
Inventor
Маркус КЕННЕДИ
Михаэль ЦИННАБОЛЬД
Original Assignee
Федерал-Могул Буршайд Гмбх
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федерал-Могул Буршайд Гмбх filed Critical Федерал-Могул Буршайд Гмбх
Publication of RU2012142813A publication Critical patent/RU2012142813A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2558024C2 publication Critical patent/RU2558024C2/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26Deposition of carbon only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/046Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material with at least one amorphous inorganic material layer, e.g. DLC, a-C:H, a-C:Me, the layer being doped or not
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/42Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495Thickness [relative or absolute]
    • Y10T428/24967Absolute thicknesses specified
    • Y10T428/24975No layer or component greater than 5 mils thick
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/24983Hardness
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/263Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
    • Y10T428/264Up to 3 mils
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/263Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
    • Y10T428/264Up to 3 mils
    • Y10T428/2651 mil or less
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/31504Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31678Of metal

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу, с покрытием, а также к способу нанесения покрытия на скользящий элемент. Поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания выполнено из чугуна или стали и имеет износостойкое покрытие. Упомянутое покрытие имеет толщину от 2 до 40 мкм и содержит адгезионный слой из хрома (12), несколько чередующихся слоев из CrN (14) и металлсодержащих DLC-слоев из а-С:Н:Ме (16), где Me-вольфрам, хром, титан, германий или кремний. Адгезионный слой из хрома (12) наносят напылением путем испарения, чередующиеся слои из CrN (14) наносят ионно-плазменным напылением, а упомянутые металлсодержащие DLC-слои - активированным плазмой химическим осаждением из паровой фазы (PA-CVD). Обеспечивается скользящий элемент, который вместе с сопряженным элементом соответствует требованиям в отношении срока службы и затраты мощности на преодоление трения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу, с покрытием, а также к способу нанесения покрытия на скользящий элемент.
В многочисленных технических применениях скользящие элементы находятся в скользящем контакте с сопряженными элементами. Как типичный случай применения, можно рассматривать комбинацию поршневого кольца с гильзой цилиндра. Когда цилиндр или гильзы цилиндра сделаны, например, из алюминий-кремниевых сплавов, что имеет место, в частности, в двигателях внутреннего сгорания, в отношении износа и мощности, затрачиваемой на преодоление трения, хорошо показали себя кроющие системы на основе DLC (diamond like carbon - алмазоподобный углерод). Однако, что касается срока службы, а также их применимости для дизельных двигателей или ДВС с высоким наддувом с гильзами цилиндра, выполненными обычно на основе железа, известные слоистые системы на основе DLC оставляют желать лучшего. Из-за заметно более высоких давлений в цилиндре и, в частности, в комбинации с непосредственным впрыском топлива, возникает повышенная степень полусухого трения. Решающей причиной неудовлетворительной пригодности кроющих систем на основе DLC для таких ситуаций обычно считается малая толщина слоя, менее 5 мкм.
Из DE 102005063123B3 известно DLC-покрытие с приработочным слоем. Что касается повышенной толщины слоя, известны, кроме того, PVD-покрытия, в частности, на основе CrN, которые имеют толщину в диапазоне 10-30 мкм. Хотя в результате этого и получается улучшенный срок службы, однако повышаются затраты мощности на преодоление трения и ухудшается износостойкость, в частности, при недостатке смазки, а также снижается гарантия от следов прижога. Напротив, слоистые системы на основе DLC, благодаря их аморфной структуре, дают то преимущество, что они проявляют существенную химическую инертность к металлическим поверхностям и, тем самым, имеют очень низкую склонность к адгезии с сопряженным элементом.
Это справедливо, например, для покрытия согласно DE 102008016864B3, которое содержит внутренний металлосодержащий аморфный углеродный слой и наружный не содержащий металла аморфный углеродный слой.
В основе изобретения стоит задача разработать скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, который при применении, в частности, в дизельных двигателях или ДВС с высоким наддувом, вместе с сопряженным элементом, например, на основе железа, выполняет требования в отношении срока службы и затраты мощности на преодоление трения. Кроме того, должен быть указан способ покрытия скользящего элемента.
Решение этой задачи обеспечивается скользящим элементом, описанным в пункте 1.
Предусмотренное на нем покрытие отличается чередованием нескольких рядов слоев CrN и a-C:H:Me. Согласно первым опытам, было установлено, что благодаря такой слоистой структуре можно улучшить как срок службы, так и относительный коэффициент трения.
Для порядка следует упомянуть, что Me означает металл, и здесь в качестве металла могут применяться, например, вольфрам, хром, титан, германий или кремний. Как a-C:H:Me, так и упоминаемый далее слой a-C:H являются алмазоподобными углеродными слоями (DLC-слоями) и служат для сравнительно низкого износа и хороших фрикционных свойств. В частности, исходят из того, что несмотря на разное радиальное давление прижима и, тем самым, разные создаваемые скорости износа, например, по периметру винтовой нажимной пружины, тем не менее, на поверхности все еще имеется, по меньшей мере, на отдельных участках, DLC-слой, так что сохраняются хорошие фрикционные свойства, в частности, также в условиях недостаточной смазки. Это с выгодой комбинируется с преимуществами, которые предоставляет CrN-слой в отношении износа. Обычно более высокое, по сравнению с DLC, сопротивление износу CrN-слоя может быть с выгодой эффективным с самого начала или с момента истирания наружного DLC-слоя. Описанное многослойное покрытие имеет, кроме того, то преимущество, что можно получать заметно большие суммарные толщины, чем в обычных системах на основе DLC-слоев. Это объясняется в основном тем, что у DLC более высокие, по сравнению с CrN, внутренние напряжения можно в итоге компенсировать слоями CrN внутри покрытия.
Покрытие можно предусмотреть, в частности, по меньшей мере на отдельных участках, по меньшей мере на одной рабочей поверхности. Кроме того, покрытие может проходить в переходную зону к поверхностям и по поверхностям, соседним с рабочей поверхностью. Это относится, например, к боковым поверхностям скольжения поршневого кольца. Следует упомянуть, кроме того, что Заявителем в тот же день была подана заявка под названием "Винтовая нажимная пружина для маслосъемного поршневого кольца в двигателе внутреннего сгорания и способ покрытия винтовой нажимной пружины", в которой указано покрытие, близкое к описываемому здесь для винтовой нажимной пружины. Все отличительные признаки указанного там покрытия применимы также к покрытию, описываемому здесь. Далее, описанная в указанной заявке винтовая нажимная пружина в одном из описанных там вариантах осуществления может с выгодой комбинироваться с описываемым здесь поршневым кольцом и в этой комбинации должна рассматриваться как объект настоящей заявки. Кроме того, Заявителем в тот же день была подана заявка под названием "Способ покрытия по меньшей мере внутренней поверхности поршневого кольца, а также поршневое кольцо". Все описанные там меры, которые относятся, в частности, к покрытию внутренней поверхности поршневого кольца, могут применяться также к описываемому здесь поршневому кольцу, и описанный в указанной заявке способ может применяться, в частности, также к покрытию других поверхностей, не являющихся внутренней поверхностью.
Предпочтительные усовершенствования описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Для адгезии CrN-слоя на основе, то есть на скользящем элементе, в частности поршневом кольце, предпочтительно из чугуна или стали, оказалось предпочтительным формировать адгезионный слой из хрома. Его можно, в частности, нанести способом напыления испарением, и он предпочтительно имеет толщину менее 1,0 мкм. В качестве минимальной толщины адгезионного слоя в настоящее время предпочтительно значение 0,01 мкм.
В частности, для вышеописанного адгезионного слоя в настоящее время предпочтительно выбирать CrN-слой в качестве самого внутреннего слоя вышеописанной многослойной структуры.
Для наружного слоя скользящего элемента согласно изобретению, который сначала находится в скользящем контакте с сопряженным элементом, предпочтителен не содержащий металла DLC-слой, другими словами, слой типа a-C:H. Такой слой обеспечивает наилучшую прирабатываемость. Предпочтительной показала себя толщина такого слоя от 0,1 до 5,0 мкм. Минимальная толщина слоя 0,1 мкм благоприятна для хорошей прирабатываемости. Максимальная толщина слоя получается из минимальной адгезионной прочности, которая у толстых слоев меньше. Для описанного наружного, или верхнего слоя, допустимо также нанесение как на слой CrN, так и на слой a-C:H:Me.
Для отдельных рядов CrN- и a-C:H:Me-слоя предпочтительна толщина от 50 нм до 400 нм. Толщина более 50 нм благоприятна тем, что при последовательном нанесении гарантируется возможность проверки структуры слоя.
Полная толщина покрытия составляет предпочтительно, чтобы гарантировать при хорошем сроке службы хорошие фрикционные свойства, от 2 до 40 мкм. В этой связи, число отдельных рядов может составлять, например, от 10 до 400.
Для твердости CrN-слоя хорошо показали себя значения 800-1900 HV 0.002 (твердость по Виккерсу). Эта конфигурация может комбинироваться с твердостью не содержащего металла DLC-слоя 1700-2900 HV 0.002 и/или твердостью металлосодержащего DLC-слоя 800-1600 HV 0.002.
Ожидается, кроме того, что особенно хорошие свойства DLC-слоя, в частности, металлосодержащего и/или не содержащего металла DLC-слоя устанавливаются, когда он содержит водород.
Металлосодержащий DLC-слой может, кроме того, благоприятным образом содержать нанокристаллические выделения карбида металла, как, например, WC, CrC, Sic, GeC или TiC.
Кроме того, решение вышеназванной задачи достигается описанным в пункте 9 формулы изобретения способом.
В рамках способа согласно изобретению описанное покрытие можно с успехом получить путем комбинации метода ионно-плазменного напыления и метода активированного плазмой химического осаждения из паровой фазы (PA-CVD).
Кроме того, раскрывается комбинация по меньшей мере одного вышеописанного скользящего элемента с сопряженным элементом, в частности цилиндром или гильзой цилиндра двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя или ДВС с высоким наддувом, причем сопряженный элемент имеет в основе железо.
Далее с обращением к чертежам подробнее поясняется один предпочтительный пример осуществления изобретения. Показано:
Фиг.1: слоистая структура согласно изобретению, и
Фиг.2: относительный износ поршневого кольца с разными покрытиями.
Как следует из фиг.1, на основной материал 10 скользящего элемента сначала наносят адгезионный хромовый слой 12. На него, изнутри наружу, с чередованием наносят несколько слоев CrN 14 и a-C:H:Me 16. Наружный слой образован слоем a-C:H. В показанном примере этот слой нанесен на DLC-слой, однако он может наноситься также на CrN-слой.
С такой структурой проводили эксперименты со сравнительными примерами. Таблица показывает используемые слоистые системы.
Вариант Структура покрытия
Основа ←---------- ----------→ Рабочая поверхность
Адгезионный слой Основание Промежуточный слой Верхний слой
A нет покрытия - - - -
B Двойной DLC-слой 01 Cr - a-C:H-01
C Двойной DLC-слой 02 Cr - Me(CN)x a-C:H-02
D Двойной DLC-слой 03 Cr CrN Cr a-C:H
E Многослойный DLC Cr С чередованием
CrN/a-C:H:W
a-C:H
Эту систему слоев наносили на поршневое кольцо и исследовали трибологические свойства в комбинации с хонингованной гильзой цилиндра из серого чугуна в смазанном состоянии. Износ слоистой системы, имеющей самый большой износ, был принят за 100%. Из фиг.2 видно, во-первых, что благодаря DLC-покрытию износ был снижен более чем на 50% по сравнению с поверхностью без покрытия. Слоистая система согласно изобретению (тип E) имеет самый низкий относительный износ. Это достигается, согласно первым данным, благодаря более стабильной структуре многослойной системы и благодаря оптимизированным вследствие этого фрикционным свойствам и износостойкости.

Claims (12)

1. Поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания, выполненное из чугуна или стали, с износостойким покрытием, в котором упомянутое покрытие содержит адгезионный слой из хрома (12), несколько чередующихся слоев из CrN (14) и металлсодержащих DLC-слоев из а-С:Н:Ме (16), где Me - вольфрам, хром, титан, германий или кремний, и имеет толщину от 2 до 40 мкм.
2. Поршневое кольцо по п. 1, отличающееся тем, что адгезионный слой из хрома (12) предпочтительно имеет толщину от 0,01 до 1,0 мкм.
3. Поршневое кольцо по п. 1 или 2, отличающееся тем, что внутренним из чередующихся слоев является слой CrN (14).
4. Поршневое кольцо по п. 1 или 2, отличающееся тем, что покрытие содержит наружный не содержащий металла DLC-слой из а-С:Н (18) толщиной предпочтительно от 0,1 до 5,0 мкм.
5. Поршневое кольцо по п. 3, отличающееся тем, что покрытие содержит наружный не содержащий металла DLC-слой из а-С:Н (18) толщиной предпочтительно от 0,1 до 5,0 мкм.
6. Поршневое кольцо по любому из пп. 1, 2 или 5, отличающееся тем, что каждый слой CrN и/или содержащий металл DLC-слой из а-С:Н:Ме имеет толщину от 50 нм до 400 нм.
7. Поршневое кольцо по п. 3, отличающееся тем, что каждый слой CrN и/или содержащий металл DLC-слой из а-С:Н:Ме имеет толщину от 50 нм до 400 нм.
8. Поршневое кольцо по п. 4, отличающееся тем, что каждый слой CrN и/или содержащий металл DLC-слой из а-С:Н:Ме имеет толщину от 50 нм до 400 нм.
9. Поршневое кольцо по п. 1, отличающееся тем, что твердость по Виккерсу CrN-слоя составляет 800-1900 HV 0.002, и/или твердость металлсодержащего алмазоподобного углеродного слоя (DLC-слоя) из а-С:Н:Ме составляет 800-1600 HV 0.002.
10. Поршневое кольцо по п. 5, отличающееся тем, что твердость по Виккерсу CrN-слоя составляет 800-1900 HV 0.002, и/или твердость не содержащего металл алмазоподобного углеродного слоя (DLC-слоя) из а-С:Н составляет 1700-2900 HV 0.002, и/или твердость металлсодержащего алмазоподобного углеродного слоя (DLC-слоя) из а-С:Н:Ме составляет 800-1600 HV 0.002.
11. Поршневое кольцо по любому из пп. 1, 5 или 10, отличающееся тем, что по меньшей мере один указанный DLC-слой получен напылением путем испарения металла, и/или металлсодержащий DLC-слой из а-С:Н:Ме, и/или не содержащий металла DLC-слой из а-С:Н получен активированным плазмой химическим осаждением из паровой фазы (PA-CVD).
12. Способ нанесения износостойкого покрытия на поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания, выполненное из чугуна или стали, в котором осуществляют нанесение адгезионного слоя хрома (12) напылением путем испарения, а затем с чередованием наносят несколько слоев из CrN и металлсодержащих DLC-слоев из а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, хром, титан, германий или кремний, с получением покрытия толщиной от 2 до 40 мкм, при этом слои из CrN наносят ионно-плазменным напылением, а металлсодержащие DLC-слои из а-С:Н:Ме активированным плазмой химическим осаждением из паровой фазы (PA-CVD).
RU2012142813/02A 2010-03-09 2011-02-17 Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента RU2558024C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010002686.7 2010-03-09
DE201010002686 DE102010002686A1 (de) 2010-03-09 2010-03-09 Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements
PCT/EP2011/052345 WO2011110413A1 (de) 2010-03-09 2011-02-17 Gleitelement, insbesondere kolbenring, und verfahren zur beschichtung eines gleitelements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012142813A RU2012142813A (ru) 2014-04-20
RU2558024C2 true RU2558024C2 (ru) 2015-07-27

Family

ID=44025838

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012142813/02A RU2558024C2 (ru) 2010-03-09 2011-02-17 Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9103015B2 (ru)
EP (1) EP2545202B1 (ru)
JP (1) JP5901546B2 (ru)
KR (1) KR101711844B1 (ru)
CN (1) CN102770584B (ru)
BR (1) BR112012022007B1 (ru)
DE (1) DE102010002686A1 (ru)
PT (1) PT2545202E (ru)
RU (1) RU2558024C2 (ru)
WO (1) WO2011110413A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2687788C1 (ru) * 2018-12-07 2019-05-16 Акционерное общество "Дальневосточная генерирующая компания" Многослойное эрозионностойкое покрытие
RU2778062C2 (ru) * 2018-06-18 2022-08-15 Идромеканик Э Фроттман Деталь, снабженная покрытием из негидрированного аморфного углерода на подслое, содержащем хром, углерод и кремний

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006046915C5 (de) * 2006-10-04 2015-09-03 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen
DE102006046917C5 (de) * 2006-10-04 2014-03-20 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen
FR2981728B1 (fr) * 2011-10-21 2014-07-04 Hydromecanique & Frottement Piece de frottement fonctionnant en milieu lubrifie
BRPI1105714B1 (pt) * 2011-12-07 2021-01-05 Mahle Metal Leve S/A componente deslizante para uso em motores de combustão interna
AT511605B1 (de) * 2011-12-12 2013-01-15 High Tech Coatings Gmbh Kohlenstoffbasierende beschichtung
BR102012003607A2 (pt) * 2012-02-16 2013-10-29 Mahle Metal Leve Sa Componente deslizante para uso em motores de combustão interna
PL398554A1 (pl) * 2012-03-21 2013-09-30 Zaklad Mechaniki Maszyn Bukpol Lagodzinski Spólka Jawna Sposób wytwarzania listwy prowadzacej i listwa prowadzaca
TWI513902B (zh) 2012-06-19 2015-12-21 Tai Mao Ind Corp 活塞環之結構
DE102012020756A1 (de) * 2012-10-23 2014-04-24 Mahle International Gmbh Bauteil mit einer Beschichtung und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102012020757A1 (de) 2012-10-23 2014-05-08 Mahle International Gmbh Bauteil mit einer Beschichtung und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102013200846A1 (de) * 2013-01-21 2014-07-24 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtung
US9765726B2 (en) 2013-03-13 2017-09-19 Federal-Mogul Cylinder liners with adhesive metallic layers and methods of forming the cylinder liners
KR102240656B1 (ko) * 2013-07-19 2021-04-16 외를리콘 서피스 솔루션즈 아게, 페피콘 성형 공구용 코팅
JP5965378B2 (ja) * 2013-10-31 2016-08-03 株式会社リケン ピストンリング及びその製造方法
DE102014200607A1 (de) * 2014-01-15 2015-07-16 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring
US10458548B2 (en) * 2015-08-10 2019-10-29 Nippon Itf, Inc. Piston ring and method for manufacturing same
CN106467958B (zh) * 2015-08-21 2019-03-15 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 基体表面的富碳碳化铬纳米复合超硬自润滑涂层及其制备方法
JP6343266B2 (ja) * 2015-09-09 2018-06-13 株式会社リケン 摺動部材及びピストンリング
US10030773B2 (en) 2016-03-04 2018-07-24 Mahle International Gmbh Piston ring
BR102016015392A2 (pt) * 2016-06-30 2018-01-16 Mahle Metal Leve S.A. Sliding element for internal combustion engines
DE102017102059A1 (de) * 2017-02-02 2018-08-02 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Schichtsystem und Bauteil
DE102017002150A1 (de) * 2017-03-06 2018-09-06 Rosenberger Hochfrequenztechnik Gmbh & Co. Kg Elektrisches Kontaktelement
BR102017007599B1 (pt) * 2017-04-12 2022-07-26 Mahle Metal Leve S.A. Anel de pistão para motores de combustão interna
DE102019110158A1 (de) 2019-04-17 2020-10-22 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Werkstückträgereinrichtung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998058100A1 (de) * 1997-06-16 1998-12-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren und einrichtung zum vakuumbeschichten eines substrates
RU2156370C1 (ru) * 1996-12-05 2000-09-20 Ман Б Энд В Диесель А/С Элемент цилиндра, такой как гильза цилиндра, поршень, юбка поршня или поршневое кольцо в двигателе внутреннего сгорания дизельного типа и поршневое кольцо для такого двигателя
RU2288297C2 (ru) * 2001-06-22 2006-11-27 Тиссенкрупп Илектрикел Стил Ебг Гмбх Электротехническая текстурованная листовая сталь с электроизоляционным покрытием и способ получения электротехнической текстурованной листовой стали
WO2006125683A1 (en) * 2005-05-26 2006-11-30 Nv Bekaert Sa Piston ring having hard multi-layer coating

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE442305B (sv) * 1984-06-27 1985-12-16 Santrade Ltd Forfarande for kemisk gasutfellning (cvd) for framstellning av en diamantbelagd sammansatt kropp samt anvendning av kroppen
US4619865A (en) * 1984-07-02 1986-10-28 Energy Conversion Devices, Inc. Multilayer coating and method
JPH03291379A (ja) * 1990-04-10 1991-12-20 Citizen Watch Co Ltd カーボン硬質膜の積層構造
JP3561611B2 (ja) * 1997-09-25 2004-09-02 三洋電機株式会社 硬質炭素系被膜
JPH10237627A (ja) * 1997-02-24 1998-09-08 Sumitomo Electric Ind Ltd 硬質炭素膜被覆部材
JP3829017B2 (ja) 1998-08-24 2006-10-04 デュポン神東・オートモティブ・システムズ株式会社 電着塗装方法および電着塗装装置
JP3355145B2 (ja) 1999-02-23 2002-12-09 ダイカ株式会社 磁性粒体吸着状態検出及び報知装置
DE10005614A1 (de) * 2000-02-09 2001-08-16 Hauzer Techno Coating Europ B Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen sowie Gegenstand
JP4374153B2 (ja) 2001-06-29 2009-12-02 日本ピストンリング株式会社 ピストンリング
JP4360082B2 (ja) * 2001-12-17 2009-11-11 住友電気工業株式会社 非晶質炭素被膜の製造方法及び非晶質炭素被覆摺動部品
BR0309661A (pt) 2002-04-25 2005-02-22 Unaxis Balzers Ag Sistema de camadas estruturado
PT1915472T (pt) * 2005-08-18 2018-12-06 Oerlikon Surface Solutions Ag Pfaeffikon Substrato revestido com uma estrutura em camadas compreendendo uma camada de carbono tetraédrico e uma camada exterior mais macia
DE102005063123B3 (de) 2005-12-30 2007-05-31 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, Gleitsystem und Beschichtung für ein Gleitelement
AT503288B1 (de) * 2006-07-26 2007-09-15 Bosch Gmbh Robert Verfahren zum aufbringen eines beschichtungsmaterials sowie beschichtung für eine metallische oberfläche
DE102006046917C5 (de) 2006-10-04 2014-03-20 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen
JP2008286354A (ja) 2007-05-21 2008-11-27 Nippon Piston Ring Co Ltd 摺動部材
DE102008016864B3 (de) 2008-04-02 2009-10-22 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2156370C1 (ru) * 1996-12-05 2000-09-20 Ман Б Энд В Диесель А/С Элемент цилиндра, такой как гильза цилиндра, поршень, юбка поршня или поршневое кольцо в двигателе внутреннего сгорания дизельного типа и поршневое кольцо для такого двигателя
WO1998058100A1 (de) * 1997-06-16 1998-12-23 Robert Bosch Gmbh Verfahren und einrichtung zum vakuumbeschichten eines substrates
RU2288297C2 (ru) * 2001-06-22 2006-11-27 Тиссенкрупп Илектрикел Стил Ебг Гмбх Электротехническая текстурованная листовая сталь с электроизоляционным покрытием и способ получения электротехнической текстурованной листовой стали
WO2006125683A1 (en) * 2005-05-26 2006-11-30 Nv Bekaert Sa Piston ring having hard multi-layer coating

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778062C2 (ru) * 2018-06-18 2022-08-15 Идромеканик Э Фроттман Деталь, снабженная покрытием из негидрированного аморфного углерода на подслое, содержащем хром, углерод и кремний
RU2788796C2 (ru) * 2018-06-18 2023-01-24 Идромеканик Э Фроттман Деталь, снабженная покрытием из гидрированного аморфного углерода на подслое, содержащем хром, углерод и кремний
RU2687788C1 (ru) * 2018-12-07 2019-05-16 Акционерное общество "Дальневосточная генерирующая компания" Многослойное эрозионностойкое покрытие

Also Published As

Publication number Publication date
US9103015B2 (en) 2015-08-11
EP2545202A1 (de) 2013-01-16
CN102770584B (zh) 2016-08-03
US20130004756A1 (en) 2013-01-03
KR20130048719A (ko) 2013-05-10
RU2012142813A (ru) 2014-04-20
BR112012022007B1 (pt) 2019-06-11
PT2545202E (pt) 2014-10-13
KR101711844B1 (ko) 2017-03-03
BR112012022007A2 (pt) 2016-07-19
JP5901546B2 (ja) 2016-04-13
DE102010002686A1 (de) 2011-09-15
EP2545202B1 (de) 2014-09-03
JP2013521413A (ja) 2013-06-10
CN102770584A (zh) 2012-11-07
WO2011110413A1 (de) 2011-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2558024C2 (ru) Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента
RU2531220C2 (ru) Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и комбинация скользящего элемента с ответным рабочим элементом
US9611543B2 (en) Sliding element having a coating
RU2634811C2 (ru) Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием
US9169547B2 (en) Gliding element
KR20110073557A (ko) 내연 기관의 활주 요소, 특히 피스톤 링
US20150292622A1 (en) Sliding element, in particular a piston ring, having a coating
JP6340014B2 (ja) 摺動エレメント
US10697543B2 (en) Sliding element, in particular piston ring, and method for producing the same
KR20130005282A (ko) 적어도 피스톤 링의 내부 표면을 코팅하는 방법 및 피스톤 링
CN110678675B (zh) 活塞环及制造方法
RU2558705C2 (ru) Винтовая нажимная стальная пружина для поршневого кольца
US20100117304A1 (en) Piston ring
JP6873153B2 (ja) 保護層を備えるコーティングピストンリング
US9388900B2 (en) Method for producing a piston ring having embedded particles
JP4374160B2 (ja) ピストンリング

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200218