發(fā)動機部件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明旨在解決為發(fā)動機部件（發(fā)動機組或者固定的或可拆卸的套筒）提供涂層時所遇到的問題，所述發(fā)動機部件具有至少一個筒形腔體并且主要由鐵或鋁制成，要為該發(fā)動機部件提供涂層（3），該涂層（3）具有沉積在金屬基材（1）上的三種不同的層。沉積于基材（1）上的第一亞層（21）包含至少80%的硅，其功能是為金屬基材（1）和包含氫化無定形碳的后續(xù)的層之間提供能夠確保良好粘附性的界面。第二過渡性亞層（22）包含一定百分比的硅和一定百分比的氫化無定形碳（a-C:H:Si）。最后，在工作表面上，第三亞層（23）由純的氫化無定形碳（a-C:H）構(gòu)成。所述涂層（3）是利用等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）通過空心陰極效應(yīng)（HCE）而制備的。
【專利說明】發(fā)動機部件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動機組的氣缸或內(nèi)燃機的可拆卸套筒，其具有通過氣相化學(xué)沉積而 施加的無定形碳涂層，該涂層包括含有硅的過渡層，施加所述涂層是為了降低氣缸與其各 活塞環(huán)之間的摩擦系數(shù)，提高耐磨性并防止氣缸被腐蝕。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動機組的氣缸或內(nèi)燃機組的可拆卸套筒是這樣的發(fā)動機部件：這些發(fā)動機部件 因其所進行的工作類型而會經(jīng)受高磨耗。
[0003] 隨著新型發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展，其內(nèi)部部件已經(jīng)承受了更大的壓力，因此，必須開發(fā) 出既能夠保證更好的性能、又能促使發(fā)動機具有更高的可靠性的方案。
[0004] 基于這一宗旨，眾多制造者主要針對發(fā)動機組的氣缸或內(nèi)燃機的可拆卸套筒進行 了嘗試以獲得各種各樣的技術(shù)方案。
[0005] 能夠提高發(fā)動機組的氣缸或內(nèi)燃機的可拆卸套筒的性能的可行性方案之一是為 氣缸的內(nèi)表面設(shè)置涂層。
[0006] 在目前可獲得的多種可能的涂層中，具有無定形碳（a-C:H)的涂層在降低工作表 面的摩擦系數(shù)方面表現(xiàn)出良好的潛能而備受關(guān)注，其能夠減輕接觸表面的磨損并防止被保 護的表面發(fā)生腐蝕。然而，與普通涂層一樣，具有無定形碳的涂層也需要對其所沉積的基材 具有良好的粘附性。
[0007] 當(dāng)發(fā)動機組的氣缸或內(nèi)燃機的可拆卸套筒的涂層為無定形碳時，在用來將涂層沉 積至基材的方法以及確保沉積物具有良好的粘附性這兩方面均存在難題。
[0008] 另一方面，氣缸自身的幾何形狀本身就使得難以將涂層沉積在其內(nèi)部。例如，活塞 環(huán)的工作面易于暴露在外，這能夠使得涂層的施加工作易于進行，而對于發(fā)動機組的氣缸 或可拆卸套筒而言則不允許這樣。此外，假設(shè)想要涂覆發(fā)動機組的氣缸，那么與更為簡單的 元件(如棒、活塞環(huán)等）相比，由于發(fā)動機組的尺寸及其相應(yīng)的機動性，因此沉積工藝將變得 甚至更為復(fù)雜。
[0009] 無定形碳涂層在對金屬基材的粘附性方面表現(xiàn)出一些困難，這使得在針對將涂層 施加在氣缸工作表面上的效率時所提到的困難變得更為嚴重。本領(lǐng)域為了解決這些問題而 做出的努力可證明這一點。
[0010] 在教導(dǎo)使用無定形碳來涂覆氣缸的各種現(xiàn)有技術(shù)文獻中，專利文獻EP1783349是 與本發(fā)明最相關(guān)的文獻，因為其公開了使用具有硅的無定形碳涂層（DLC-Si)，還教導(dǎo)了在 活塞、活塞環(huán)、氣缸和活塞銷上也施加該涂層。
[0011] 該文獻提到了 DLC涂層的一些優(yōu)點，例如：降低摩擦系數(shù)，從而減輕了部件的磨 損，特別是，在部件與潤滑油接觸的條件下使用該部件時，更能減輕部件的磨損，因此，它們 不會依賴于對潤滑流體中所存在的添加劑的吸附或反應(yīng)。該文獻還描述了采用具有三種不 同類型涂層的部件所作的比較試驗，所述三種涂層為：具有硅的無定形涂層（DLC-Si)、僅 有無定形碳（DLC)、以及氮化鉻（CrN)。這些試驗表明：在設(shè)有含硅無定形碳涂層（DLC-Si/ DLC-Si)的兩個部件之間的摩擦，表現(xiàn)出比任何其他類型的涂層界面的摩擦系數(shù)降低了至 少 40%。
[0012] 為了提高涂層對金屬基材的粘附性，所述涂層的組成中包含1%至20%的硅。特別 是，對于氣缸，該文獻公開了可以將該涂層施加至鋁氣缸和鑄鐵氣缸，它們是發(fā)動機組或氣 缸套筒的組成部件，所述涂層僅包括一層硅含量介于1%和20%之間的無定形碳層。另一方 面，無定形碳涂層的工作區(qū)域?qū)欢ò俜直鹊墓柙兀╝-C:H:Si)。
[0013] 雖然該文獻沒有公開氣缸可具有的最大尺寸，但是其強調(diào)了 ：氣缸的長度與直徑 之比為大于0. 8,當(dāng)使用直流電通過等離子體CVD(化學(xué)氣相沉積)法形成膜時，這是有利的。
[0014] 此外，該文獻表明，對于滑動壓力較高(例如，lOOMPa或更高）的工作情形，涂層有 可能從氣缸的內(nèi)表面脫落。雖然使用元素硅來輔助涂層的粘附，但是在粘附性方面仍將存 在難題。
[0015] 因此，可清楚地看到，雖然專利文獻EP1783349提出了可以將無定形碳涂層施加 到氣缸及其優(yōu)點，但是其還試圖針對這一功能嘗試使用硅來解決與涂層對基材的粘附性有 關(guān)的問題。
[0016] 總之，該文獻本身提出了用DLC來涂覆氣缸的局限性。與所用的沉積技術(shù)相比，在 接受涂層沉積時氣缸所表現(xiàn)出的缺乏暴露表面這一難題成為成功實施該文獻所述技術(shù)的 重要障礙。
[0017] 因此，在將無定形碳涂層（a_C:H)沉積在發(fā)動機組的氣缸內(nèi)壁或可拆卸套筒的內(nèi) 壁時，該文獻提出的以及現(xiàn)有技術(shù)中所存在的難題就會變得明顯。該難題的原因在于氣缸 必定不具有暴露在外的內(nèi)壁。如果我們注意到這樣的事實：至今使用的沉積方法--化學(xué) 氣相沉積法（CVD)或物理氣相沉積法（PVD)，是從氣缸外部的位置轟擊氣缸的內(nèi)壁，那么氣 缸缺乏暴露表面的問題就會變得更加明顯。
[0018] 這樣的沉積難題必定會對沉積在基材上的涂層的均勻性產(chǎn)生很大的影響。其結(jié)果 是，已經(jīng)知道，沉積不均勻的涂層將不能充分發(fā)揮保護表面的功能，并且需要增加涂層的厚 度以確保對表面的整體保護。這將導(dǎo)致涂層中存在內(nèi)應(yīng)力，從而不可避免地降低了耐脫落 性。
[0019] 因此，無論化學(xué)沉積具有DLC的氣缸涂層取得了多大的進步，仍需要促使材料的 沉積在具有更高均勻性方面取得技術(shù)進步。
[0020] 現(xiàn)有文獻EP1619265提出了一種技術(shù)，雖然該技術(shù)是應(yīng)用于其他領(lǐng)域中的，但是， 該技術(shù)具有很大的相關(guān)性，因為其涉及將無定形碳涂層沉積在管狀體的幾何形狀內(nèi)部。
[0021] 該文獻公開了用于將DLC膜涂覆至預(yù)先制備的管道的內(nèi)表面的方法和系統(tǒng)。所述 涂覆通過如下方式進行：使工件作為陰極，并在所述工件的各入口處與陽極連接。在其中一 端引入氣體源，而在另一端安裝真空泵，由此使得所安裝的組件保持可提供空心陰極效應(yīng) (HCE)的條件。
[0022] 該文獻中提到的技術(shù)提供了一種與現(xiàn)有技術(shù)使用的那些方法完全不同的方法。當(dāng) 然，其應(yīng)用旨在涂覆管道。然而，其為在管狀形式內(nèi)部沉積DLC開啟了新概念。
[0023] 此外，即使在部分程度上解決了存在的問題，也仍然存在很多生產(chǎn)秩序方面的因 素是現(xiàn)有技術(shù)尚未深入研究的。其中一個重要因素是相對于無定形碳沉積到內(nèi)燃機氣缸的 內(nèi)表面上的沉積速率而言，涂層的均勻性。
[0024] 因此，應(yīng)當(dāng)指出的是，仍然沒有這樣的技術(shù)方案：該技術(shù)方案能夠與經(jīng)濟可行且生 產(chǎn)率高的方法聯(lián)合，利用能夠獲得良好的涂層粘附性的無定形碳涂覆設(shè)有至少一個氣缸的 發(fā)動機部件(其中活塞在所述氣缸內(nèi)移動)，從而獲得這樣的氣缸，其具有能夠提升發(fā)動機 工業(yè)的更優(yōu)的技術(shù)特征。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 發(fā)明目的
[0026] 因此，本發(fā)明的目的是在內(nèi)燃機氣缸的工作表面上設(shè)置碳類涂層，該涂層由于含 有娃的中間層的存在，能夠獲得1?粘附性。
[0027] 本發(fā)明的目的還在于確保涂層具有低摩擦系數(shù)、高機械硬度、低磨耗以及低腐蝕。
[0028] 發(fā)明概沭
[0029] 本發(fā)明的目的是通過以下方式來實現(xiàn)的：提供具有至少一個筒形腔體的發(fā)動機部 件，活塞在所述筒形腔體內(nèi)移動，所述筒形腔體包括具有金屬基體基材的內(nèi)表面，向所述內(nèi) 表面施加至少一層涂層，所述涂層包括：與所述基材相鄰的第一亞層，所述第一亞層包含至 少80%的硅并擴散至所述基材；過渡的第二亞層，其設(shè)置在所述第一亞層和第三亞層之間， 所述第二亞層由氫化無定形碳和硅構(gòu)成；以及第三亞層，其覆蓋所述第二亞層并且包含幾 乎100%的氫化無定形碳。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 以下將結(jié)合附圖中示出的實施方案的例子來更詳細地描述本發(fā)明。附圖如下：
[0031] 圖1是本發(fā)明涂層的示意圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明涂層中所存在的化學(xué)元素的分布。

【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明提出了一種類金剛石碳涂層3,該涂層被施加至發(fā)動機部件(具有至少一個 氣缸的發(fā)動機組或者固定的或可移動的發(fā)動機套筒)，所述發(fā)動機部件限定至少一個筒形 腔體，氣缸活塞在所述筒形腔體內(nèi)移動。
[0034] 本發(fā)明設(shè)法獲得這樣的涂層3 :該涂層3表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)，能夠確保接觸/工作 表面上的磨損較輕，并確保涂層3對基材1具有良好的粘附性。
[0035] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了這樣的技術(shù)方案：該技術(shù)方案提供了具 有創(chuàng)新性的化學(xué)組成的氫化無定形碳（a-C:H)的涂層3 ;以及提供了沉積涂層3的方法，對 于產(chǎn)品和生產(chǎn)而言，該方法都能夠獲得極其有益的特性。
[0036] 圖1示出了接收本發(fā)明涂層3之后的筒形腔體的一部分(來自發(fā)動機組或者來自 固定的或可移動的套筒)。為了更好地理解，筒形腔體具有其上將被施加本發(fā)明涂層3的內(nèi) 表面，下文將接收所述涂層3的所述內(nèi)表面的部分稱為基材1。本發(fā)明中筒形腔體的基材1 優(yōu)選為主要由鑄鐵、鋼或鋁構(gòu)成的金屬基體。優(yōu)選但非限制性的是，所述基材1可以由珠光 體球墨鑄鐵制成。
[0037] 涂層3被再劃分成三個不同的亞層，這些亞層沉積在基材1上。沉積于基材1上 的第一亞層21包含至少80%的硅，其作用是在金屬基材和后續(xù)的亞層之間提供粘附性良好 的界面，所述后續(xù)的亞層包含氫化無定形碳。
[0038] 在具有娃的第一亞層21之后沉積第二過渡亞層22,其包含一定百分比的娃和一 定百分比的氫化無定形碳（a-C:H)。最終，在外表面或工作表面上，涂層3具有第三亞層23， 所述第三亞層23具有純的氫化無定形碳的組成（a-C:H)，其具有基本上100%的a-C:H，該 第三亞層23優(yōu)選延伸至多1微米的深度。
[0039] 因此，涂層3是由三種不同的亞層組成的，S卩：第一亞層21，其包含至少80%的硅； 接著是第二過渡亞層22,其包含硅和氫化無定形碳；最后為第三亞層23,其包含100%的氫 化無定形碳。
[0040] 還應(yīng)當(dāng)注意的是，第二過渡亞層22中硅的量隨著涂層3向第三亞層23趨近而降 低。類似地，第二過渡亞層22中氫化無定形碳的量隨著涂層向第三亞層23趨近而升高，最 終達到第三亞層23中的100%的氫化無定形碳的量。由于本發(fā)明的涂層3具有這種組成， 所以可以描述為：在第一亞層21和第三亞層23之間設(shè)置有這樣的第二亞層22,該第二亞 層22所包含的氫化無定形碳的量和硅的量從第一亞層21至第三亞層23的方向彼此呈相 反的變化，并且這種變化是以漸進式進行的。換言之，隨著離第一亞層21越來越遠，涂層3 中硅的量不斷降低，而氫化無定形碳的量不斷升高，直到其達到第三亞層23中的100%的量 (參見圖2)。
[0041] 以這種漸進式存在的元素硅旨在促使金屬基材1與由氫化無定形碳形成的第三 亞層23之間具有更好的粘附性。由于沉積條件，與基材1相鄰的第一亞層21可能與基材 1相混，使得構(gòu)成第一亞層21的元素擴散到構(gòu)成基材1的材料中。這一細節(jié)可以在圖2中 線I左側(cè)所代表的區(qū)域觀察到，該區(qū)域表示第一亞層21和基材1之間的過渡。對于包含氫 化無定形碳的第二亞層22而言，也存在這樣的擴散。
[0042] 應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的涂層3的化學(xué)組成及其顯著的優(yōu)點僅可以通過所用的沉 積技術(shù)獲得。
[0043] 因此，類金剛石碳涂層3利用與專利文獻EP1783349中所述類似的技術(shù)原理。或 者，可以通過任何其他的技術(shù)原理來沉積涂層3,只要能夠確保所述涂層3的性質(zhì)即可，也 就是說，涂層3包括三個亞層21、22、23, S卩：用于成核/粘附的、與金屬基材1相鄰的、具有 硅的第一亞層21 ;具有硅和氫化無定形碳的第二過渡亞層22,其覆蓋在第一亞層21上；以 及最后的具有100%氫化無定形碳的第三亞層23,其覆蓋在第二亞層22上。
[0044] 優(yōu)選但非限制性的是，所述涂層3是通過利用用于涂覆傳導(dǎo)性內(nèi)表面的新技術(shù)而 獲得的，該技術(shù)能夠利用等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD)通過空心陰極效應(yīng)（HCE)而生成 沉積物。
[0045] 筒形腔體內(nèi)表面的涂層3是通過以下方式形成的：連接至電壓源，使得工件作為 陰極，并在所述工件的兩個入口處分別連接陽極。隨后將氣體源引入入口，將真空泵連接至 相對的出口。在監(jiān)控筒體內(nèi)部壓力的條件下形成涂層3,并且利用所得壓力信息將條件維持 在表現(xiàn)出空心陰極效應(yīng)的狀態(tài)下。還可以借助于碳氫化合物、以及利用氣體(例如，氬氣)通 過向筒體施加負壓源以將工件的污染物粉碎從而進行前期清潔。在這種情況中，可以使用 碳氫化合物（C2H2)作為前體來沉積DLC涂層3,因為其是惰性的并且具有高的耐腐蝕性。
[0046] 雖然位于金屬、陶瓷或DLC上的任何具有所需性質(zhì)的涂層均可應(yīng)用該原理，但是， 本發(fā)明的涂層3利用具有sp 3 (類金剛石）鍵的DLC，從而在工作表面上獲得具有低摩擦、優(yōu) 異的粘附性和耐腐蝕性的硬質(zhì)涂層3。
[0047] 因此，通過利用無定形碳和硅，將所用的元素硅成功地用作除DLC基質(zhì)以外的摻 雜劑，從而提高了涂層3的熱穩(wěn)定性并有助于降低壓縮比。
[0048] 當(dāng)然，本發(fā)明能夠進行各種各樣的改變，可以通過利用非對稱雙極直流電（DC)來 保持高的等離子體密度，使得可獲得數(shù)量級至少為1微米/分鐘的沉積速率，從而實現(xiàn)優(yōu)異 的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)注意的是，現(xiàn)有技術(shù)公開的常規(guī)方法能夠獲得數(shù)量級為1微米/小時的沉積 速率。因此，本發(fā)明提供了顯著提高的生產(chǎn)能力，能夠獲得高達現(xiàn)有技術(shù)約六十倍的沉積速 率。
[0049] 關(guān)于優(yōu)點，本發(fā)明的涂層3不會改變筒形腔體的原始形貌；與具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的鑄 鐵相比，能夠確保將磨損程度降低至少50% ;防止由發(fā)動機中的不完全燃燒而產(chǎn)生的煤殘 余物不利地沉積在氣缸內(nèi)；以及，與不具有涂層3的環(huán)相比，極大地降低了摩擦系數(shù)。
[0050] 此外，所討論的涂層3為筒形腔體賦予了金剛石自身的性質(zhì)，例如，高的機械硬度 以及化學(xué)惰性和機電惰性。從摩擦學(xué)上來說，該涂層因其低摩擦和低磨耗而極其引人注目， 在各種各樣的機械應(yīng)用中、尤其是在具有相對滑移運動的應(yīng)用中，這些都是非常重要的要 點。
[0051] 當(dāng)然，這些特征可以根據(jù)沉積的條件和方法而大幅改變。因此，本發(fā)明的涂層3的 厚度可以在1微米至25微米的范圍內(nèi)；氫的量可以在3原子％至40原子％的范圍內(nèi)；其硬 度可以在7吉帕斯卡至40吉帕斯卡（GPa)范圍內(nèi)；根據(jù)IS014577,通過劃痕測試測量，其粘 附力為至少30N并且可以達到150N ;內(nèi)應(yīng)力優(yōu)選低于L 5(GPa)。關(guān)于粗糙度，其可以表現(xiàn) 為任何值，但是其優(yōu)選為低于〇. 3微米Rpk、1微米Rk和3微米Rvk。
[0052] 由此，本發(fā)明通過提出具有高生產(chǎn)能力和低排斥力的沉積方法，獲得了這樣的產(chǎn) 品，該產(chǎn)品在機械、化學(xué)、摩擦學(xué)等性質(zhì)方面具有多種優(yōu)點，此外還使所述涂層3的制備變 得非常容易。
[0053] 已經(jīng)描述了優(yōu)選實施方案的例子，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的范圍包括其他可能的 變體，本發(fā)明的范圍僅通過隨附的權(quán)利要求書的內(nèi)容限定，該權(quán)利要求書包括可能的等價 形式。
【權(quán)利要求】
1. 一種發(fā)動機部件，其具有至少一個筒形腔體，活塞在所述筒形腔體的內(nèi)部移動，所 述筒形腔體包括具有金屬基體的基材（1)的內(nèi)表面，所述基材（1)上施加有至少一層涂層 (3 )，其特征在于，所述涂層（3 )包括： -與所述基材（1)相鄰的第一亞層（21)，所述第一亞層（21)包含至少80%的硅并擴散 至所述基材； -過渡的第二亞層（22)，所述第二亞層（22)設(shè)置在所述第一亞層（21)和第三亞層（23) 之間，所述第二亞層（22)由氫化無定形碳和硅構(gòu)成；以及 -覆蓋在所述第二亞層（22)上的第三亞層（23)，所述第三亞層（23)包含基本上100% 的氫化無定形碳，所述涂層（3 )沉積在所述金屬基材（1)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其特征在于，所述第二亞層（22)中的無定形碳的量和 硅的量從所述第一亞層（21)至所述第三亞層（23)的方向以漸進的方式彼此呈相反的變 化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的部件，其特征在于，所述基材主要由鐵或鋼構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的部件，其特征在于，所述基材主要由鋁構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的部件，其特征在于，所述涂層（3)的厚度范圍為1微米至 25微米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的部件，其特征在于，所述涂層（3)的硬度范圍為7GPa至 40GPa。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的部件，其特征在于，根據(jù)劃痕測試標準，所述涂層（3)的 粘附力范圍為30N至150N。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的部件，其特征在于，所述涂層（3)的內(nèi)應(yīng)力為至多 2. 5GPa〇
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的部件，其特征在于，所述涂層（3)是通過等離子體化學(xué)氣 相沉積（PECVD )由空心陰極效應(yīng)提供的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的部件，其特征在于，所述涂層（3)的沉積速率實質(zhì)上為 至少1微米/分鐘。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的部件，其特征在于，所述部件為發(fā)動機組。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的部件，其特征在于，所述部件為發(fā)動機套筒。
【文檔編號】F16J10/04GK104066870SQ201280008479
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月10日
【發(fā)明者】保羅·若澤·達羅查·莫爾登特 申請人:馬勒發(fā)動機零部件巴西有限公司, 馬勒國際公司