RU2585603C2 - Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием - Google Patents

Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием Download PDF

Info

Publication number
RU2585603C2
RU2585603C2 RU2013129841/02A RU2013129841A RU2585603C2 RU 2585603 C2 RU2585603 C2 RU 2585603C2 RU 2013129841/02 A RU2013129841/02 A RU 2013129841/02A RU 2013129841 A RU2013129841 A RU 2013129841A RU 2585603 C2 RU2585603 C2 RU 2585603C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal
layer
dlc layer
sliding element
element according
Prior art date
Application number
RU2013129841/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013129841A (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 RU2013129841A publication Critical patent/RU2013129841A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2585603C2 publication Critical patent/RU2585603C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical 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
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C28/00—Coating 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
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C28/00—Coating 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
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/343—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one DLC or an amorphous carbon based layer, the layer being doped or not
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0635—Carbides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • Y—GENERAL 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]
    • Y—GENERAL 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/263—Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
    • Y10T428/264—Up to 3 mils
    • Y—GENERAL 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/263—Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
    • Y10T428/264—Up to 3 mils
    • Y10T428/265—1 mil or less
    • Y—GENERAL 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/30—Self-sustaining carbon mass or layer with impregnant or other layer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic 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 элементу скольжения, используемому в двигателе внутреннего сгорания, имеющему по меньшей мере на одной поверхности износоустойчивое покрытие. Износоустойчивое покрытие содержит изнутри в направлении наружу адгезионный слой (10), металлосодержащий а-С:Н:Ме DLC-слой (12) и свободный от металла а-С:Н DLC-слой (14, 16), где а-С - аморфный углерод, Н - водород, Me - металл, причем свободный от металла DLC-слой по меньшей мере на отдельных участках легирован азотом. Содержание азота в свободном от металла DLC-слое градуировано с образованием перехода от легированного участка к нелегированному участку и превышает 5 ат.% и/или максимально составляет 40 ат.%. Обеспечивается элемент скольжения, который усовершенствован в отношении сочетания коэффициентов трения и свойств, обеспечивающих износоустойчивость. 15 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Description

Область применения
Изобретение относится к элементу скольжения, используемому в двигателе внутреннего сгорания, в частности поршневому кольцу, с покрытием, нанесенным, по меньшей мере, на одной рабочей поверхности.
Элементы скольжения такие, например, как поршневые кольца, поршни или гильзы цилиндра должны работать в двигателях внутреннего сгорания в течение продолжительного срока службы, и по возможности с наименьшим трением и с наименьшим износом. При этом трение, которое возникает сразу же вместе с потреблением топлива, может поддерживаться на низком уровне за счет нанесения покрытия из алмазоподобного углерода (Diamond-like Carbon), так называемого DLC-покрытия. Далее толщина слоя может достигать в принципе до 40 мкм. Однако при толщинах слоя свыше 5 мкм возникает проблема, что свойства слоя изменяются, например, относительно структуры и состава слоя, так что требуемый срок службы не может быть достигнут.Это относится в равной мере также к толщинам слоя меньше 5 мкм.
Уровень техники
Далее в этой связи известны покрытия на твердой основе, полученные физическим осаждением из газовой фазы (PVD), которые содержат, по меньшей мере, нитрид хрома. Такие слои обладают, разумеется, требуемой износоустойчивостью, но при этом отсутствуют необходимые низкие коэффициенты трения.
Из патентного документа DE 102005063123 D3 известен элемент скольжения с DLC-покрытием с хорошим показателем приработки. Но в целом требуется дальнейшее улучшение долговечности низкого коэффициента трения.
Патентный документ DE 102008016864 относится к элементу скольжения с покрытием, которое содержит расположенные соответственно изнутри кнаружи адгезионный слой, металлосодержащий DLC-слой и DLC-слой, свободный от металла.
Из патентной публикации DE 19735962 A1 известна направляющая втулка и способ осуществления твердой углеродной пленки на внутренней поверхности направляющей втулки, который плазменно-химическим осаждением из газовой фазы позволяет создать на внутренней поверхности твердую углеродную пленку из гидрированного, аморфного углерода.
Наконец, в международном патенте WO 2006/125683 A1 показано поршневое кольцо, которое содержит расположенные соответственно изнутри кнаружи слой с элементом групп IVB, VB или VIB, промежуточный слой с алмазоподобным нанокомпозитным составом и DLC-слой.
Неопубликованный патентный документ DE 102009028504 заявителя относится к элементу скольжения согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Сущность изобретения
На этом фоне задача изобретения состоит в том, чтобы предложить элемент скольжения, который дополнительно усовершенствован в отношении сочетания коэффициентов трения и износоустойчивых свойств.
Решение этой задачи осуществляется посредством элемента скольжения, описанного в пункте 1 формулы изобретения.
Соответственно, по меньшей мере, на одной поверхности этот элемент имеет нанесенное покрытие, которое содержит изнутри в направлении наружу адгезионный слой, металлосодержащий, в частности, вольфрамсодержащий DLC-слой и DLC-слой, свободный от металла. Покрытие может быть предусмотрено, в частности, по меньшей мере, на одной рабочей поверхности. Однако в виде альтернативы или дополнительно к основному варианту может быть нанесено покрытие также, по меньшей мере, на одну боковую стенку. Адгезионный слой представляет собой предпочтительно хромистый адгезионный слой. Металлосодержащий DLC-слой содержит аморфный углерод и может быть обозначен как а-С:Н:Ме и в форме предпочтительно вольфрамсодержащего DLC-слоя обозначен как а-C:H:W. Наружный или верхний (Тор) слой также содержит аморфный углерод и может быть обозначен как а-С:Н. Описанные значения обеспечивают особенно хорошие свойства в отношении трения и износа. Эти свойства, касающиеся трения, могут воздействовать за счет более толстого верхнего (Тор) слоя в направлении увеличения срока службы. Однако если этот слой оказывается слишком толстым, по сравнению со средним слоем, показатели износа ухудшаются, так как высокие внутренние напряжения слоев снижают адгезионную прочность и это может привести к расслоению.
Согласно изобретению содержание азота в свободном от металла DLC-слое градуировано с образованием перехода от легированного участка к нелегированному участку и превышает 5 ат.% и/или максимально составляет 40 ат.%.
Для легирования свободного от металла DLC-слоя, в частности, для использования азота может быть установлено, что это позволяет преимущественным образом снизить внутренние напряжения слоя. Чтобы обеспечить высокий срок службы слоя, свободный от металла DLC-слой легируют, в частности, азотом, в частности, пока не будет достигнута критическая толщина слоя. Это позволяет, как было упомянуто, сократить внутренние напряжения, так что могут быть выполнены высокие толщины слоев. Первые тестирования на испытательном стенде привели к хорошим результатам. В отношении подробностей легирования азотом и получаемых таким образом преимуществ, предмет изобретения дополняется статьей: D.F. Franceschini, "Plasma-deposited а-C(N):Н films", Brazilian Journal of Physics, vol. 30, No 3, Sao Paulo 2000.
Когда покрытие, по меньшей мере частично, выполнено, по меньшей мере, на одной рабочей поверхности элемента скольжения, оно может быть распространено по всей рабочей поверхности и, в частности, может быть выполнено, полностью или частично, также на поверхностях, которые граничат с рабочими поверхностями как, например, боковые стенки поршневого кольца и/или на переходе от рабочей поверхности к примыкающим к ней поверхностях.
Далее одновременно ожидается, что градуированная характеристика доли углерода обеспечивает дополнительно на свободном от металла слое хорошую характеристику внутреннего напряжения.
Предпочтительные варианты доработки элемента скольжения согласно изобретению описаны в других пунктах формулы изобретения.
Предпочтительным основным материалом элемента скольжения, в частности поршневого кольца, является в данном случае чугун или сталь. Для этих материалов могут быть определены особенно хорошие свойства.
В отношении твердости слоя предпочтительными являются показатели от 1400 HV0.02 до 2900 HV0.02 для свободного от металла (а-С:Н-Тор-) DLC-слоя и/или от 800 до 1600 HV0.02 для металлосодержащего (а-С:Н:Ме-) DLC-слоя, так как при этих значениях было достигнуто хорошее соблюдение требований относительно односторонней и двусторонней адгезии слоев.
Металлосодержащий, равно как и свободный от металла DLC-слой, может содержать водород, что при тестировании оказалось выгодным.
Далее для вольфрамсодержащего DLC-слоя выгодно, что он содержит нанокристаллические осаждения карбида вольфрама, что благоприятно воздействует в дальнейшем на свойства.
Для толщины адгезионного слоя, который, в частности, представляет собой хромистый адгезионный слой, предпочтительным является максимальное значение 1 мкм.
Чтобы особенно хорошо решить вопрос в отношении описанного баланса между величиной трения и износоустойчивыми свойствами, предпочтительной является общая толщина покрытия от 5 мкм до 40 мкм, в частности примерно 10-20 мкм.
В отношении эффективного исполнения покрытия, для адгезионного слоя в настоящее время является предпочтительным, что он изготовлен осаждением металла из газовой фазы.
Выгодное изготовление покрытия согласно изобретению обеспечивается дальше в отношении металлосодержащего или свободного от металла DLC-слоя, если он выполнен путем физического осаждения из газовой фазы (PVD) и/или плазменно-химическим осаждением из газовой фазы (PA CVD). В частности, оба названных способа могут сочетаться для отдельных или нескольких слоев покрытия согласно изобретению. Для легирования азотом, азот в ходе реализации способа добавляют по существу как газ, так что наряду с углеродом, который получают ионизацией ацетилена в плазме, азот сепарируют и легируют слой, как это описано выше. Подробное описание процесса содержится среди прочего в статье: J. Robertson, "Diamond-like amorphous Carbon", Material Science and Engineering R 37 (2002), 129-281.
Предпочтительно, соотношение толщин между свободным от металла и металлосодержащим DLC-слоем находится в пределах от 0,7 до 1,5 и/или соотношение толщин между свободным от металла DLC-слоем и покрытием в целом лежит в интервале от 0,4 до 0,6. Особенно хорошие показатели износа могут быть зафиксированы, если средний и верхний (Тор) слой имеют приближенно идентичную толщину, так что здесь соотношение толщин составляет предпочтительно примерно 1,0, в частности, от 0,9 до 1,1, соответственно соотношение толщины верхнего (Тор) слоя к слою в целом примерно 0,5, в частности, от 0,45 до 0,55. Особенно предпочтительной является в этом случае толщина всего слоя, например, 10-20 мкм, при этом металлосодержащий DLC-слой составляет толщину примерно 40-70% от всего слоя, а DLC-слой, свободный от металла, толщину примерно от 4,4 до примерно 7,6 мкм.
В отношении трения покрытия могут содержать показатели трения в пределах названных интервалов, которые в двигателе внутреннего сгорания хорошо соответствуют поставленным требованиям, и в целом остаются по существу неизменными. Наоборот, за пределами этих интервалов, по прошествии уже короткого времени, были зафиксированы высокие показатели трения и непостоянная характеристика трения.
Объяснением этого поведения, которое, впрочем, не ограничивает изобретение, в настоящее время считается, что DLC-слой, свободный от металла, вносит вначале очень высокие внутренние напряжения во всю систему, т.е. в покрытие в целом, которые при толщине металлосодержащего DLC-слоя, аналогичной толщине наружного слоя, могут быть сбалансированы таким образом, что покрытие выполнено оптимальным в отношении сочетания прочности и вязкости. Следовательно, элемент скольжения, с нанесенным таким образом покрытием, в частности, поршневое кольцо обладает хорошим сопротивлением износу. При соотношении толщин свободного от металла DLC-слоя и металлосодержащего DLC-слоя <0,7 и/или верхнего (Тор) слоя относительно всего слоя в целом <0,4, элемент скольжения имеет слишком небольшой срок службы, так как наружный DLC-слой, свободный от металла, имеет высокое сопротивление износу, но слишком небольшую толщину слоя. Наоборот, при соотношении толщин свободного от металла DLC-слоя и металлосодержащего DLC-слоя >1,5 и/или верхнего (Тор) слоя относительно всего слоя в целом >0,6, толщина металлосодержащего DLC-слоя недостаточна, чтобы сбалансировать внутренние напряжения. Это приводит к преждевременному износу DLC-слоя в целом, несмотря на большую толщину наружного слоя, или к разрыву DLC-слоя за счет слишком высоких нагрузок в процессе эксплуатации. Если требуется повысить толщину свободного от металла слоя а-С:Н, это может быть сделано посредством легирования азотом, так как это позволяет снизить внутренние напряжения и при улучшенной удельной проводимости верхнего слоя стабильнее протекает процесс нанесения покрытия. Снижение внутренних напряжений приводит, кроме того, к улучшенной характеристике трения.
Далее первые тестирования подтвердили присутствие доли азота, превышающей 5 ат. % и/или максимально 40 ат. %. В частности, предпочтительным при этом является содержание от 10 ат. % до 25 ат. %.
Предпочтительно легирование азотом наружного участка свободного от металла DLC-слоя.
В отношении того, какую долю в толщине составляет легированный участок свободного от металла DLC-слоя, предпочтительной является толщина от 10 до 90% нелегированного участка. Хорошие результаты в этом отношении могут быть зафиксированы при первых тестированиях.
Краткое описание чертежа
Ниже предпочтительные примеры осуществления изобретения поясняются более детально со сноской на чертеж.
На фигуре схематично показана структура покрытия согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных форм осуществления изобретения
Как схематично показано на фигуре, покрытие согласно изобретению содержит на подложке 8 расположенные соответственно изнутри кнаружи адгезионный слой 10, металлосодержащий DLC-слой 12 и верхний (Тор) слой 14, 16, который представляет собой свободный от металла DLC-слой. В показанном примере осуществления наружный участок 16 легирован азотом, а внутренний участок 14 не легирован азотом. В показанном примере концентрация азота составляет на легированном участке примерно 15% и переход от легированного участка к нелегированному градуирован лишь незначительно. Иными словами, содержание азота снижается до 0 в сравнительно небольшом интервале толщины. Однако эта характеристика также может быть выполнена с хорошей градуировкой.
Примеры
Свойства покрытия согласно изобретению протестированы следующим образом. Были проведены испытания с 2 поршневыми кольцами, при этом верхний (Тор) слой покрытия на рабочей поверхности в одной форме осуществления легирован, а в другой форме не легирован.
Для легированного варианта был получен более низкий примерно на 20% коэффициент трения. Это объясняется тем, что за счет легирования азотом повышается доля Sp2-гибридизированных атомов углерода. Sp2-гибридизированные атомы углерода имеют графитоподобную кристаллическую структуру, которая обеспечивает, что отдельные плоскости кристаллов при тангенциальных напряжениях могут понижаться в пространственном направлении и, следовательно, за счет смещения плоскостей кристаллов может отбираться механическая энергия. Это приводит к снижению трения по сравнению со слоистыми системами с меньшей Sp2 долей. Следует иметь в виду, что Sp2 доля не должна быть слишком высокой, так как это снижает сопротивление износу.

Claims (15)

1. Элемент скольжения, используемый в двигателе внутреннего сгорания, имеющий по меньшей мере на одной поверхности износоустойчивое покрытие, которое содержит изнутри в направлении наружу адгезионный слой (10), металлосодержащий а-С:Н:Ме DLC-слой (12) и свободный от металла а-С:Н DLC-слой (14, 16), где а-С - аморфный углерод, Н - водород, Me - металл, причем свободный от металла DLC-слой по меньшей мере на отдельных участках легирован азотом, отличающийся тем, что содержание азота в свободном от металла DLC-слое градуировано с образованием перехода от легированного участка к нелегированному участку и превышает 5 ат.% и/или максимально составляет 40 ат.%.
2. Элемент скольжения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основного материала он имеет чугун или сталь.
3. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что DLC-слой, свободный от металла, имеет твердость от 1400 HV0.02 до 2900 HV0.02 и/или металлосодержащий DLC-слой имеет твердость от 800 до 1600 HV0.02.
4. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что металлосодержащий и/или свободный от металла DLC-слой содержит водород.
5. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что металлосодержащий DLC-слой является вольфрамсодержащим DLC-слоем.
6. Элемент скольжения по п. 5, отличающийся тем, что вольфрамсодержащий DLC-слой содержит нанокристаллические осаждения карбида вольфрама.
7. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что адгезионный слой, в частности хромистый адгезионный слой, имеет максимальную толщину 1 мкм.
8. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что общая толщина покрытия составляет от 5 мкм до 40 мкм.
9. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что адгезионный слой изготовлен осаждением металла из газовой фазы.
10. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что металлосодержащий и/или свободный от металла DLC-слой выполнен путем физического осаждения из газовой фазы (PVD) и/или плазменно-химическим осаждением из газовой фазы (PA CVD).
11. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что соотношение толщины DLC-слоя, свободного от металла, к толщине металлосодержащего DLC-слоя составляет от 0,7 до 1,5 и/или соотношение к общей толщине покрытия в целом составляет от 0,4 до 0,6.
12. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что DLC-слой, свободный от металла, имеет долю азота в пределах от 10 ат.% до 25 ат.%.
13. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что наружный участок свободного от металла DLC-слоя легирован.
14. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина легированного участка свободного от металла DLC-слоя составляет от 10 до 90% толщины нелегированного участка свободного от металла DLC-слоя.
15. Элемент скольжения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он является поршневым кольцом.
RU2013129841/02A 2010-11-29 2011-11-24 Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием RU2585603C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010062114.5 2010-11-29
DE201010062114 DE102010062114B4 (de) 2010-11-29 2010-11-29 Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtung
PCT/EP2011/070921 WO2012072483A1 (de) 2010-11-29 2011-11-24 Gleitelement, insbesondere kolbenring, mit einer beschichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013129841A RU2013129841A (ru) 2015-01-10
RU2585603C2 true RU2585603C2 (ru) 2016-05-27

Family

ID=45094602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013129841/02A RU2585603C2 (ru) 2010-11-29 2011-11-24 Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9103442B2 (ru)
EP (1) EP2646597B1 (ru)
JP (1) JP6057911B2 (ru)
KR (1) KR101898004B1 (ru)
CN (1) CN103261476B (ru)
BR (1) BR112013013370B1 (ru)
DE (1) DE102010062114B4 (ru)
PT (1) PT2646597T (ru)
RU (1) RU2585603C2 (ru)
WO (1) WO2012072483A1 (ru)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011076453B4 (de) * 2011-05-25 2013-08-01 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring mit Verbundbeschichtung
DE102012210796A1 (de) * 2012-06-26 2014-01-02 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verfahren zur Herstellung eines tribologisch belasteten Schichtverbunds, Schichtverbund und Verwendung einer metallorganischen Verbindung zur Herstellung einer Funktionsschicht des Schichtverbunds
JP5564099B2 (ja) * 2012-12-28 2014-07-30 株式会社リケン シリンダとピストンリングの組合せ
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
DE102014213822A1 (de) 2014-07-16 2016-01-21 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102014217040A1 (de) * 2014-08-27 2016-03-03 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Beschichtung für Metallbauteile, Verfahren zum Beschichten eines Metallbauteils, Kolben für Verbrennungskraftmaschinen und Kfz
JP5918326B2 (ja) * 2014-09-16 2016-05-18 株式会社リケン 被覆摺動部材
US9551419B2 (en) 2015-04-22 2017-01-24 Federal-Mogul Corporation Coated sliding element
DE102016107874A1 (de) * 2016-04-28 2017-11-16 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring
BR102017007599B1 (pt) * 2017-04-12 2022-07-26 Mahle Metal Leve S.A. Anel de pistão para motores de combustão interna
CN107387255A (zh) * 2017-07-26 2017-11-24 安庆雅德帝伯活塞有限公司 一种发动机活塞裙部减摩涂层
CN107288774A (zh) * 2017-07-26 2017-10-24 安庆雅德帝伯活塞有限公司 一种裙部激光处理活塞及其处理方法
CN107686972A (zh) * 2017-09-07 2018-02-13 蚌埠玻璃工业设计研究院 一种共掺杂类金刚石薄膜的制备方法
WO2020014448A1 (en) 2018-07-11 2020-01-16 Board Of Trustees Of Michigan State University Vertically oriented plasma reactor
DE102018125631A1 (de) 2018-10-16 2020-04-16 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Schichtsystem, Rollelement und Verfahren
CN109306455B (zh) * 2018-10-24 2020-04-28 同济大学 一种铁掺杂的非晶态碳薄膜及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1494554A1 (ru) * 1986-08-20 1994-03-15 Г.К. Дмитриев Абразивный инструмент
DE102008011921A1 (de) * 2008-02-29 2009-09-10 Ks Kolbenschmidt Gmbh Beschichtung von Bauteilen einer Brennkraftmaschine zur Verminderung von Reibung, Verschleiß und Adhäsionsneigung
DE102008016864B3 (de) * 2008-04-02 2009-10-22 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
WO2010021285A1 (ja) * 2008-08-19 2010-02-25 株式会社神戸製鋼所 窒素含有非晶質炭素系皮膜、非晶質炭素系積層皮膜および摺動部材

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5249554A (en) * 1993-01-08 1993-10-05 Ford Motor Company Powertrain component with adherent film having a graded composition
US5941647A (en) 1996-08-19 1999-08-24 Citizen Watch Co., Ltd. Guide bush and method of forming hard carbon film over the inner surface of the guide bush
JP3649873B2 (ja) 1997-09-22 2005-05-18 三洋電機株式会社 Ｃｖｄ法による薄膜形成方法および薄膜ならびに摺動部品
US6354008B1 (en) * 1997-09-22 2002-03-12 Sanyo Electric Co., Inc. Sliding member, inner and outer blades of an electric shaver and film-forming method
JPH11130590A (ja) * 1997-10-30 1999-05-18 Daido Steel Co Ltd 防塵性硬質炭素被膜
JP3555844B2 (ja) * 1999-04-09 2004-08-18 三宅 正二郎 摺動部材およびその製造方法
US6974642B2 (en) * 2000-03-15 2005-12-13 Fujitsu Limited Carbonaceous protective layer, magnetic recording medium, production method thereof, and magnetic disk apparatus
DE10018143C5 (de) * 2000-04-12 2012-09-06 Oerlikon Trading Ag, Trübbach DLC-Schichtsystem sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Schichtsystems
JP2002032907A (ja) * 2000-05-10 2002-01-31 Fujitsu Ltd カーボン保護膜、磁気記録媒体及びそれらの製造方法ならびに磁気ディスク装置
JP4304598B2 (ja) * 2001-09-27 2009-07-29 株式会社豊田中央研究所 高摩擦摺動部材
JP4300762B2 (ja) * 2002-07-10 2009-07-22 日新電機株式会社 炭素膜被覆物品及びその製造方法
EP1883717A1 (en) 2005-05-26 2008-02-06 NV Bekaert SA Piston ring having hard multi-layer coating
JP2007070667A (ja) * 2005-09-05 2007-03-22 Kobe Steel Ltd ダイヤモンドライクカーボン硬質多層膜成形体およびその製造方法
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
DE102008042747A1 (de) * 2008-10-10 2010-04-15 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Kolbenring
DE102009028504C5 (de) 2009-08-13 2014-10-30 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring mit einer Beschichtung
DE102009046281B3 (de) * 2009-11-02 2010-11-25 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Kombination eines Gleitelements mit einem Laufpartner
CN101705471B (zh) 2009-11-30 2011-06-15 沈阳大学 一种氮化铬钛铝氮梯度硬质反应膜的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1494554A1 (ru) * 1986-08-20 1994-03-15 Г.К. Дмитриев Абразивный инструмент
DE102008011921A1 (de) * 2008-02-29 2009-09-10 Ks Kolbenschmidt Gmbh Beschichtung von Bauteilen einer Brennkraftmaschine zur Verminderung von Reibung, Verschleiß und Adhäsionsneigung
DE102008016864B3 (de) * 2008-04-02 2009-10-22 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
WO2010021285A1 (ja) * 2008-08-19 2010-02-25 株式会社神戸製鋼所 窒素含有非晶質炭素系皮膜、非晶質炭素系積層皮膜および摺動部材

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012072483A1 (de) 2012-06-07
JP2014505837A (ja) 2014-03-06
US20130316156A1 (en) 2013-11-28
KR20140005186A (ko) 2014-01-14
CN103261476A (zh) 2013-08-21
DE102010062114A1 (de) 2012-05-31
CN103261476B (zh) 2016-08-10
DE102010062114B4 (de) 2014-12-11
RU2013129841A (ru) 2015-01-10
BR112013013370B1 (pt) 2020-11-03
BR112013013370A2 (pt) 2016-09-06
PT2646597T (pt) 2016-10-24
EP2646597A1 (de) 2013-10-09
JP6057911B2 (ja) 2017-01-11
KR101898004B1 (ko) 2018-09-12
US9103442B2 (en) 2015-08-11
EP2646597B1 (de) 2016-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2585603C2 (ru) Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием
RU2520858C2 (ru) Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, с покрытием
JP5452734B2 (ja) コーティングを有するスライド要素、特に、ピストンリング、およびスライド要素を製造するプロセス
US10131988B2 (en) Sliding element, in particular piston ring, and combination of a sliding element with a mating running element
Lin et al. Development and evaluation of low friction TiSiCN nanocomposite coatings for piston ring applications
CN102770584A (zh) 滑动元件，尤其是活塞环以及涂覆滑动元件的方法
EP2814999A1 (en) Specification of an invention patent for &#34;sliding element for use in internal combustion engines&#34;.
US10174841B2 (en) Piston ring for internal combustion engine
JP2008286354A (ja) 摺動部材
KR20160106737A (ko) 슬라이딩 요소, 특히 피스톤 링
US9175634B2 (en) Engine component
US9004465B2 (en) Helical compression spring for an oil scraper ring of a piston in an internal combustion engine and method for coating a helical compression spring
US9181870B2 (en) Element provided with at least one slide surface for use on an internal combustion engine
US9938626B2 (en) Method for coating a sliding element using a nanoparticles infused coating
KR101797186B1 (ko) 슬라이딩 요소
US20160084379A1 (en) Running set, piston bushing and engine block
CN104812930A (zh) 耐磨减摩涂层摩擦副

Legal Events

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

Effective date: 20201125