[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，其具有坚硬非结晶碳涂层，坚硬非结晶碳包括固体润滑剂纳米粒子，能够使得降低摩擦，结果，除了确保高硬度，还降低了环的滑动面上的磨损，同时减小在坚硬非结晶碳涂层的施加中生成的内应力。

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，具有坚硬非结晶碳涂层，坚硬非结晶碳涂层包括固体润滑剂的纳米粒子，除了确保高硬度，还能够降低摩擦以及磨损，同时能够减小在坚硬非结晶碳涂层的施加中生成的内应力。

背景技术

无论柴油循环、奥托循环、两冲程或者三冲程内燃机都包括至少一个活塞环。活塞环作用为密封气缸衬套和活塞主体之间的空间，使燃烧室与发动机的其他内部部件绝缘。活塞环径向布置在活塞主体底部上，防止燃烧气体从燃烧室沿污水池方向逃离，并且防止发动机油渗透进燃烧室。

通常，发动机具有三个环，三个环平行位于布置在活塞主体的底部中的凹槽中，为两个压缩环以及一个刮油环。压缩环靠近活塞头并且密封存在于活塞以及衬套之间的间隙，使得活塞可以压缩空气燃料混合物，用于燃烧以及随后维持气缸的气密性。刮油环具有显而易见的功能：刮去在压力下投掷进衬套的壁的多余润滑剂油。

一些内燃机主要是利用柴油循环操作的发动机在高负荷下作业。可以在高性能汽油发动机中发现其他例子。独立于引用的例子，存在的趋势是，发动机在高速度以及高功率、降低间隙下操作，结果，受到严重摩擦。在机械其部件方面这种条件自然更吃力。在该方案中，在这些高功率或者高性能发动机中利用的环需要低摩擦、高硬度以及高耐磨性。

此外，重要的是要强调，内燃机的环境冲击，当与对于高性能以及耐久性的需要一起考虑时，导致以普通方式得到利用更紧容差作业的需要，这自然地被转换为要利用逐渐变薄的润滑油薄层。

除了更薄，润滑油层还依靠低黏性油获得，确保滑动部件之间的更低摩擦。不过，油膜越薄以及其黏性越低，滑动部件之间的接触可能性越大，使得需要改善这些部件的耐磨性以使得不发生滑动组件的卡住。

活塞环和气缸衬套组件的卡住是将这些滑动部件之间的压力增加至部件要接触的点的结果，导致材料微熔化。熔化的材料将被传递至接触表面，生成后续材料堆积，最后，导致卡住组件。以这种方式，正如可见于下文的，本发明已经具体地发展为提供一个解决方案，其具有良好性能，利用了占主导地位的较小粘性油。

总之，用于在高负荷下作业的发动机的环上施加具有涂层的层通过气相沉积处理实现，尤其是物理气相沉积(PVD)以及等离子辅助化学气相沉积(PACVD)。重型柴油发动机首先被利用通过阴极电弧沉积(Arc-PVD)施加的铬氮化物(CrN)涂层。近年来，通过PVD施加的涂层也被利用在活塞环之上，用于轻型发动机、汽油以及柴油发动机，凭借良好耐磨性和耐卡性，确保耐久性。

现有技术提出的活塞环一般包括坚硬非结晶碳涂层，还公知为类金刚石碳(DLC)或者无氢氢化DLC纳米结构，作为实现低摩擦以及高耐磨性的方案。总之，现有技术的方案将DLC涂层施加在合并sp³(钻石类型)和sp²(石墨类型)键的成分中。不过，应该注意的是，凭借sp³键的三维(3D)结构，其硬度超过sp²键中遇到的硬度。

为了更好地理解，凭借极其柔软的赋予特征以及润滑剂材料，sp²结构是重要的，其利于将环嵌入气缸衬套内，并且平衡接触气缸衬套的sp³结构。这是极其有效的，凭借这样的事实，除了sp³结构可能刻痕气缸衬套，存在于sp³结构中的应力集中非常高，使得其会生成灾难性后果，后果为刻痕气缸衬套，以及使得涂层发生破裂和破裂传播可能性，结果为导致减少部件的作业寿命。出于这种原因，现有技术的不同方案利用sp²键占主导的DLC涂层，其目的是降低摩擦以及内应力。