應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸的制作方法
【專利說(shuō)明】應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸
[0001] 本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)組件，更具體地，涉及一種氣缸，其包括金屬基底的氣缸 體，該氣缸體的內(nèi)周面接受（支撐）硬碳膜，該硬碳膜提供規(guī)定的粗糙度，用于使組件的摩 擦損失以及磨損最小化。
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)的描述
[0003] 作為市場(chǎng)新需求的結(jié)果，內(nèi)燃機(jī)的組件面臨更大的需求，所以內(nèi)燃機(jī)的組件需要 具備能夠保證更佳性能的方案，以及，需要有助于使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的可靠性和更好的性 能。
[0004] 另外，由于需要減少因化石燃料燃燒而產(chǎn)生的大氣排放，對(duì)全球汽車產(chǎn)業(yè)的整個(gè) 生產(chǎn)鏈提出了挑戰(zhàn)。
[0005] 因此，許多汽車組件的制造商尋求不同的解決方案，其中，主要是針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的氣 缸的解決方案。應(yīng)該理解的是，內(nèi)燃機(jī)的氣缸包括：應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的缸套，以及，與發(fā)動(dòng) 機(jī)缸體整體形成的氣缸自身。為了更好地理解，下文中僅使用術(shù)語(yǔ)"氣缸"來(lái)限定所提到的 可能情況。
[0006] 不論哪種技術(shù)方案，由于發(fā)動(dòng)機(jī)所執(zhí)行工作的類型，內(nèi)燃機(jī)的氣缸是承受明顯磨 損的發(fā)動(dòng)機(jī)組件。這個(gè)特性與汽車產(chǎn)業(yè)與日俱增的挑戰(zhàn)相關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致需要在低尺寸公差、高 工作壓力、更高腐蝕性的條件下進(jìn)行工作，這些條件導(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組件產(chǎn)生影響，而這些影 響必須加以解決。進(jìn)一步應(yīng)該注意的是，在以狄塞爾循環(huán)（Diesel cycle)運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的 情況下，這種磨損很高，特別是由于柴油燃料中存在硫元素。
[0007] 因此，通過(guò)改進(jìn)用于制造氣缸的材料，可以獲得能改善承受所述條件的發(fā)動(dòng)機(jī)的 性能的解決方案，總是要考慮這種方案的成本。在這方面，取得了一些進(jìn)展，在氣缸包括鐵 合金（鐵類合金）的情況下很明顯。
[0008] 在制造現(xiàn)有技術(shù)的缸套時(shí)采用的主要合金是鐵合金。在這些材料中經(jīng)常會(huì)提到灰 鑄鐵，灰鑄鐵成本較低，并且，主要原因是，由于在滑動(dòng)表面上存在大量的石墨形式的固體 潤(rùn)滑劑，灰鑄鐵具有良好摩擦學(xué)特性。但是，此材料不能額外減少摩擦損失或減少磨損，而 這正是現(xiàn)今條件所要求的。
[0009] 文獻(xiàn)EP 1783349公開(kāi)了一種用于多種發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部組件（包括氣缸）的解決方案， 允許具有低摩擦系數(shù)。為此目的，金屬氣缸體的內(nèi)周面通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD)接受硬碳 膜，向該硬碳膜提供有含量在1 %至20%范圍內(nèi)的娃元素，即，氣缸工作表面包括含量可以 在1%至20%范圍內(nèi)的娃。此外，所述膜的厚度在2 ym至5 ym范圍，并且粗糙度應(yīng)該低于 Rz 0? 5 u m〇
[0010] 盡管所建議的解決方案表現(xiàn)出導(dǎo)致低摩擦系數(shù)以及優(yōu)良耐磨性的特性，這些方案 存在很大的缺陷。由于所獲得的低粗糙度（低于0.5RZ)，使得氣缸工作表面具備的超精加 工阻止了良好的潤(rùn)滑，原因很簡(jiǎn)單，沒(méi)有足夠的粗糙性（主要是因?yàn)榇嬖诤苌俚墓炔浚┮杂?于積聚油，這造成幾乎干燥的工作表面以及膜的過(guò)早磨損。由于硬碳膜不具有孔的事實(shí)，加 重了這種情況，這減弱了潤(rùn)滑，增加了膜的過(guò)早磨損。在運(yùn)行狄塞爾循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用這 種技術(shù)方案更為不利，因?yàn)楣ぷ鲏毫γ黠@更高。
[0011] 文獻(xiàn)EP1510594也披露了一種內(nèi)燃機(jī)的氣缸，其內(nèi)周面接收硬碳膜。所述膜厚度 范圍是0.3ym至2ym，以及，參數(shù)Ra的粗糙度小于0? lym，膜的硬度范圍在lOOOHv至 3500Hv。根據(jù)此文獻(xiàn)，粗糙度高于Ra 0.1 ym會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增加。如前面的文獻(xiàn)所述， 此解決方案表現(xiàn)出的缺點(diǎn)是，由于膜粗糙度降低而潤(rùn)滑不足，不能適當(dāng)?shù)胤e聚潤(rùn)滑流體，這 會(huì)導(dǎo)致膜的過(guò)早磨損，尤其是對(duì)于在高壓（高于6MPa(60bar))下運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)。
[0012] 除了所提到的現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)致的問(wèn)題，應(yīng)注意的是，硬碳膜的粗糙度過(guò)度（高于Rz 4. Oym)也帶來(lái)缺陷。由于環(huán)和活塞的滑動(dòng)表面上的粗糙度（凹凸不平）之間的高接觸壓 力，高的粗糙度產(chǎn)生裂紋隨后剝離，從而導(dǎo)致膜的過(guò)早失效。
[0013] 圖1示出具有鑄鐵制成的氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果，在氣缸內(nèi)周面上設(shè)置有硬碳 膜。在用類金剛石碳OLC)膜涂覆之后，圖1A和圖1B的表面粗糙度分別為Rz 5. 82 ym和 Rz 5. 84ym，即大于Rz4. Oym。圖1C示出在測(cè)試之后，氣缸在其上止點(diǎn)（UDC/PMS)處的表 面已經(jīng)完全磨損，不存在硬碳膜。另外，上止點(diǎn)的下方相鄰區(qū)域顯示出膜的剝離。此測(cè)試的 結(jié)果清楚地示出，具有硬碳膜的氣缸的粗糙度高于Rz 4. 0 y m時(shí)，存在膜過(guò)早失效的問(wèn)題， 因此不應(yīng)該超過(guò)此粗糙度數(shù)值。
[0014] 應(yīng)該注意的是，上止點(diǎn)（UDC)(見(jiàn)圖7A和圖8)是活塞環(huán)（直徑為D)沖程（見(jiàn)圖 7A、圖7B和圖8)在氣缸或缸套上限定的最高位置。在UDC位置，相對(duì)移動(dòng)的反轉(zhuǎn)發(fā)生在第 一槽翼（groovewing)處。在考慮磨損的時(shí)候，此處是缸套中應(yīng)力最大的區(qū)域，由于通常形 成有磨損，在拋光此區(qū)域時(shí)可以觀察到凹陷，主要是在承受高壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下（如 運(yùn)行狄塞爾的發(fā)動(dòng)機(jī)），因此增加了愈傷組織（callus)的形成。當(dāng)然，與上止點(diǎn)（UDC)相 對(duì)，存在有下止點(diǎn)（LDC)，在圖7A和圖7B的特別情況下，下止點(diǎn)（LDC)描述了活塞-氣缸系 統(tǒng)中的壓縮比。
[0015] 因此，還沒(méi)有一種氣缸設(shè)置有這樣的硬碳膜：其能夠找到膜粗糙度、摩擦系數(shù)以及 膜磨損之間的平衡條件，并克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，在任何內(nèi)燃機(jī)中都保證以低成本 獲得較長(zhǎng)的耐久性。
[0016] 本發(fā)明的目的
[0017] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于任意類型內(nèi)燃機(jī)的氣缸，該氣缸具有鐵基 (ferrous base)本體，其內(nèi)周面設(shè)置有類金剛石的無(wú)定形硬碳（DLC)膜，該膜粗糙度在Rz 0? 5 y m 至 Rz 4. 0 y m 范圍。
[0018] 此外，本發(fā)明的目的是提供一種具有鐵基的氣缸，氣缸的內(nèi)周面設(shè)置有硬碳膜，氣 缸的工作表面包括至少99%的碳和氫，這在工作（滑動(dòng)）表面下方可以存在化學(xué)元素以改 善膜的附著性，化學(xué)元素例如Cr (鉻）、W (鎢）、Si (硅）、SiC (碳化硅），但并不局限于此。
[0019] 本發(fā)明的另一目的是提供一種具有鐵基缸體的氣缸，其內(nèi)周面設(shè)置有硬碳膜，該 硬碳膜的硬度在l〇〇〇Ha和3000HV之間，并且厚度在1 y m和30 y m之間。
[0020] 最后，本發(fā)明的目的是提供一種具有鐵基的氣缸，其內(nèi)周面設(shè)置有硬碳膜，該硬碳 膜通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD)法進(jìn)行沉積。
[0021] 發(fā)明簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0022] 通過(guò)提供一種應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，該氣缸包括金屬缸體和 類金剛石硬碳OLC)膜，該膜形成在氣缸體的內(nèi)周面上，在形成碳膜之后，該氣缸的粗糙度 在 Rz 0? 5 y m 和 Rz 4. 0 y m 之間。
[0023] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0024] 通過(guò)參考圖中所示的實(shí)施例，更詳細(xì)地描述本發(fā)明。圖中示出：
[0025] 圖1A是具有鑄鐵氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果，該氣缸設(shè)置有粗糙度大于Ra 4. 0 y m(微米）的硬碳膜；
[0026] 圖1B是具有鑄鐵氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果，該氣缸設(shè)置有粗糙度大于Rz 4. 0微 米的硬碳膜；
[0027] 圖1C是粗糙度大于Rz 4. 0微米的氣缸工作表面在完成測(cè)試后的顯微鏡照片；
[0028] 圖2A是具有根據(jù)本發(fā)明的氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果；
[0029] 圖2B是具有根據(jù)本發(fā)明的氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果；
[0030] 圖2C是具有根據(jù)本發(fā)明的氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果；
[0031] 圖2D是具有根據(jù)本發(fā)明的氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果；
[0032] 圖3是在常規(guī)鑄鐵氣缸與根據(jù)本發(fā)明鑄鐵氣缸之間比較粗糙度和磨損的圖；
[0033] 圖4A是示出現(xiàn)有技術(shù)氣缸磨損的圖；
[0034] 圖4B是示出根據(jù)本發(fā)明氣缸磨損的圖；
[0035] 圖5是在常規(guī)鑄鐵氣缸與根據(jù)本發(fā)明鑄鐵氣缸之間比較摩擦損失的圖；
[0036] 圖6是根據(jù)本發(fā)明氣缸的圖示；
[0037] 圖7A是活塞-氣缸系統(tǒng)的下止點(diǎn)（LDC)的圖示；
[0038] 圖7B是活塞-氣缸系統(tǒng)的上止點(diǎn)（UDC)的圖示；
[0039] 圖8是活塞-氣缸系統(tǒng)的下止點(diǎn)（LDC)、上止點(diǎn)（UDC)以及各沖程的圖示。
[0040] 附圖詳細(xì)說(shuō)明
[0041] 本發(fā)明期望對(duì)內(nèi)燃機(jī)的氣缸1或氣缸套進(jìn)行改進(jìn)。如前文所述，本發(fā)明已應(yīng)用于 氣缸1和氣缸套。為了簡(jiǎn)化