用于內(nèi)燃機(jī)的鋼制活塞及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的鋼制活塞，特別是用于內(nèi)燃機(jī)的鋼制活塞，該鋼制活塞具有活塞冠以及涂覆在活塞冠上的保護(hù)層。此外，本發(fā)明還涉及用于制造所述鋼制活塞的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在用于內(nèi)燃機(jī)，特別是用于柴油機(jī)的鋼制活塞中，發(fā)生注入后燃燒的燃料云產(chǎn)生非常大量的熱的問題。構(gòu)建在鋼制活塞頂中的燃燒室盤由此經(jīng)受強(qiáng)氧化作用，通常在緊鄰燃燒室盤的上邊緣的區(qū)域中和/或者在燃燒室盤的上邊緣上，即在燃燒室盤和活塞頂?shù)钠降纳线吘墸幢P的邊緣之間的唇狀邊界區(qū)域。在該氧化作用中，鋼中的鐵被氧化成Fe2O3，所產(chǎn)生的氧化物對活塞位于其下方的未被氧化的鋼材料沒有附著力。
[0003]通過機(jī)械膨脹/收縮過程，形成的氧化層最終脫落，形成所謂的剝落凹口。通過該過程，由此被腐蝕的區(qū)域隨時間過程變得如此大，使得它們裸眼可見。通過這些剝落凹口進(jìn)一步延展至鋼制活塞的基底材料中，最終能出現(xiàn)盤邊緣裂縫，這在極端情況下會導(dǎo)致活塞毀壞。此外，由于上述剝落凹口，出現(xiàn)通過形成盤邊緣的相應(yīng)改變，可產(chǎn)生燃燒過程干擾，從而削弱發(fā)動機(jī)的廢氣排放特性的問題。
[0004]對于上述問題，例如由US 7，458，358 B2已知如下方法，其中將涂層材料涂覆至用于內(nèi)燃機(jī)的活塞的活塞頂上，該涂層材料具有微結(jié)構(gòu)和孔隙，其中該涂層用高能量的激光束輻射，以提高涂層的密度，而同時，微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并在涂層和活塞頂表面之間產(chǎn)生材料連接，遮蔽部分涂層，以防止被激光束福射。
[0005]由EP I 217 095 Al已知用于熱應(yīng)力的組件，特別是渦輪組件，用于保護(hù)不受腐蝕和\或腐蝕，其中保護(hù)性涂層具有單層或多層的無定型材料的密封涂層
[0006]此外，由DE 197 41 800 Al已知對涂層金屬襯底的層系統(tǒng),該金屬襯底易于被至少一個中間層和至少一個功能層，其中功能層是來自元素周期表的第四族和第六族的至少一種金屬的氮化物、碳氮化物，和/或氧氮化物，且中間層由一種或更多層金屬氧化物構(gòu)成。
[0007]然而，使用現(xiàn)有技術(shù)的涂層和方法，不能完全令人滿意地防止上述剝落凹口的形成和期間承受的對活塞的損害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明致力于在上述問題方面進(jìn)一步改善內(nèi)燃機(jī)的鋼制活塞的問題。
[0009]根據(jù)本發(fā)明該問題通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決。有利的實(shí)施方式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0010]本發(fā)明基于以下總體思想:如權(quán)利要求1和5中所述，將保護(hù)層涂覆至鋼制活塞的活塞頂，該保護(hù)層含有粘合層和涂覆于其上的功能層，其中該功能層包含金屬氮化物、金屬氧化物或相應(yīng)的金屬氮氧化物的多個特定層。[0011 ] 具體地，根據(jù)第一實(shí)施方式，保護(hù)層包含:a) Cr或CrN的粘合層，該粘合層存在于活塞頂?shù)谋砻妫缓汀豆δ軐樱摴δ軐哟嬖谟谡澈蠈由希渲腥绻m用，所述功能層具有[(A)/⑶]a形式的一個或多個CrN的層㈧和一個或多個CrON的層(B)，其中a = I?100。在第一實(shí)施方式的特定變型中，所述功能層還可只具有一個CrON層，即a = I且(A)不存在。
[0012]根據(jù)第一實(shí)施方式的層體系防止了當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)中活塞頂?shù)膭兟洹Ｉ鲜鰧芋w系在經(jīng)濟(jì)和過程技術(shù)方面具有以下優(yōu)點(diǎn):對于涂層僅需要裝配有Cr靶的蒸鍍源。這有利于涂布方法的較高的生產(chǎn)量，從而有利于較低的制造成本。
[0013]根據(jù)第二實(shí)施方式，如果適用，上述功能層包含[(C)/(C’)]a形式的一個或多個AlCrO的層(C)和一個或多個不同于(C)的AlCrO的層(C’)，其中a = I?100。在第二實(shí)施方式的特定變型中，功能層還可只具有一個AlCrO層，即a = I且(C)不存在。
[0014]眾所周知，如在WO 08/043606 Al中所述，根據(jù)第二實(shí)施方式適用的層材料AlCrO可被制造為剛玉結(jié)構(gòu)的混合晶體，并且除根據(jù)本發(fā)明的作為氧化作用屏障的作用以外，另外還具有比根據(jù)第一實(shí)施方式的CrON層體系高的熱穩(wěn)定性。這特別在以下方面呈現(xiàn):AlCrO層的晶體結(jié)構(gòu)在直至1000°C的溫度下也不會改變，即不會出現(xiàn)實(shí)質(zhì)的密度變化，因此不會出現(xiàn)層的機(jī)械不穩(wěn)定性。因此，根據(jù)第二實(shí)施方式的層體系在活塞頂將來暴露于甚至更高的燃燒室溫度下的情況下提供解決方案。
[0015]在層體系的每個實(shí)施方式中，在金屬含量以及氮和氧的含量方面，粘合層和功能層之間可突然過渡或平緩過渡。
[0016]根據(jù)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，利用上述層的特定組合，可有效防止熱氧化作用，由此防止形成剝落凹口。這通過在氧氣存在下熱作用于初始開孔的功能層來實(shí)現(xiàn)，該初始開孔的功能層由此轉(zhuǎn)變成閉孔的層。從而，活塞的鋼基材的氧化作用不再發(fā)生。
[0017]在根據(jù)本發(fā)明方案的另一有利發(fā)展中，根據(jù)第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式，a =1，即功能層由層(A)和層(B)構(gòu)成，或者相應(yīng)地由層(C)和(C’ )構(gòu)成，使得制成保護(hù)層的結(jié)構(gòu)，該保護(hù)層可表示為粘合層/層(A)/層(B)或相應(yīng)的粘合層/層(C)/層(C’)。此處，Cr或CrN,優(yōu)選CrN可被用于兩個實(shí)施方式中的粘合層。
[0018]根據(jù)本發(fā)明方案的又一進(jìn)一步有利的發(fā)展，在該情況下a = 1，層(B)或相應(yīng)的層(C’)作為表面方向上氧含量增大的梯度層存在，該表面背離層(A)，或者相應(yīng)地(在第二實(shí)施方式的情況下)，該表面背離粘合層。與氧含量在整個層厚上恒定的層(B)或相應(yīng)的層(C’ )相比，這具有以下優(yōu)點(diǎn)，氧化物層(B)或相應(yīng)的層(C’ )可更有利地與層(A)適配，或者相應(yīng)地(在第二實(shí)施方式的情況下)更有利地與粘合層適配。通過在層⑶或相應(yīng)的層(C’)的沉積過程中連續(xù)提高氧含量，可以本身已知的方式實(shí)現(xiàn)氧含量隨層(B)或相應(yīng)的層(C’)的層厚增大而提高。關(guān)于沉積保護(hù)層的方法，引用根據(jù)本發(fā)明的方法的描述。
[0019]根據(jù)本發(fā)明方案的又一進(jìn)一步有利的發(fā)展，a = 2?50，優(yōu)選10?40，特別為15?30。與僅沉積相應(yīng)的一個層(A)或相應(yīng)的一個層(B)或相應(yīng)的層(C)和層(C’)相比，沉積多個層㈧和層⑶或相應(yīng)的層(C)和層(C’ )可具有以下優(yōu)點(diǎn):由此可以目標(biāo)方式控制固有的層應(yīng)力，且可使層體系對活塞表面的附著最優(yōu)化以用于熱交替負(fù)載。
[0020]有利地,保護(hù)層具有I μ m?15 μ m的厚度，優(yōu)選2 μ m?12 μ m,更優(yōu)選4 μ m?10 μ m,且特別為5 μ m?8 μ m。當(dāng)保護(hù)層厚度低于I μ m時，根據(jù)本發(fā)明的氧化保護(hù)作用可能不能以充分的方式獲得。對于此的原因在于，在處于經(jīng)濟(jì)原因優(yōu)選的反應(yīng)性陰極火花蒸鍍(cathodic spark evaporat1n, PVD)的方法中，會出現(xiàn)噴派物,在太薄的層的情況下，它們不能充分地并入層中。其它方法，諸如過濾的陰極火花蒸鍍或?yàn)R射法的趨異性可能將實(shí)現(xiàn)較小的層厚，但將導(dǎo)致更高的制造成本，這對本領(lǐng)域的專業(yè)人員是已知的。另一方面，當(dāng)保護(hù)層的厚度大于15 μ m時，其逐漸喪失其調(diào)整自己以適應(yīng)因溫度引起的基底形式的改變。它變得更脆，并可能出現(xiàn)保護(hù)層剝離。
[0021]根據(jù)本發(fā)明方案的又一進(jìn)一步有利的發(fā)展，粘合層具有0.1 μ m?5 μ m的厚度，優(yōu)選I μ m?5 μ m,且特別為1.5μ m?4.0μ m。特別確定粘合層厚度的下限，因?yàn)閹缀紊细灰撰@得的活塞頂表面也將具有有附著力的粘合層。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大于5 μ m的粘合層厚度不利于保護(hù)層附著性的任何進(jìn)一步的改善，但削弱涂布方法的成本效益。
[0022]有利地，功能層具有0.5 μ m?10 μ m的厚度,優(yōu)選I μ m?8 μ m,更優(yōu)選2 μ m?5μπι，且特別為3μπι?4μπι。此時，功能層的層㈧和層(B)，或者相應(yīng)的層(C)和(C’ )可獨(dú)立地分別具有0.04 μ m?0.25 μ m的厚度。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，功能層的層(A)和層(B)，或者相應(yīng)的層(C)和(C’ )分別具有相同的厚度。
[0023]根據(jù)本發(fā)明方案的又一進(jìn)一步有利的發(fā)展，保護(hù)層僅存在于活塞頂?shù)谋P邊緣上。由于剝落凹口的形成特別出現(xiàn)在盤邊緣的區(qū)域中，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)該進(jìn)一步的發(fā)展的活塞的相應(yīng)有效的保護(hù)。
[0024]本發(fā)明另外提供了用于制造根據(jù)上述說明的用于內(nèi)燃機(jī)的鋼制活塞的方法，該方法包括以下步驟:提供鋼制活塞，所述鋼制活塞具有活塞頂；并如上文所做限定，利用PVD方法，將保護(hù)層涂覆至活塞頂上，特別是僅涂覆至活塞頂?shù)谋P邊緣上。
[0025]有利地，對本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何用于內(nèi)燃機(jī)的鋼制活塞，優(yōu)選用于柴油機(jī)的鋼制活塞可用作將被根據(jù)本發(fā)明的方法涂布的鋼制活塞。
[0026]具體地，用于商用汽車領(lǐng)域(重型、中型)或相應(yīng)的客車柴油領(lǐng)域(HSD =高速柴油)中的鋼制活塞被用作將被涂布的鋼制活塞。常規(guī)的客車活塞直徑落在75?90mm的范圍內(nèi)，而在MD/HD范圍內(nèi)，使用105mm和約160mm之間的直徑。所用的基底材料來自AFP含鐵材料領(lǐng)域，例如39MnVS6，或者其他更高度耐溫的鋼材，例如42CrMo4。活塞盤的構(gòu)建可相對簡單，具有限定的半徑和鄰接的底切，取決于活塞類型或相應(yīng)地取決于現(xiàn)存的熱動力學(xué)限制。該盤還可能被構(gòu)建成臺階式盤。
【附圖說明】
[0027]本發(fā)明特別優(yōu)選的示例性實(shí)施方式在附圖中示出，并在以下說明中更詳細(xì)地解釋。
[0028]此處分別示意性示出了:
[0029]圖1:根據(jù)實(shí)施例1涂覆的沉積狀態(tài)的涂層；
[0030]圖2:在根據(jù)實(shí)施例1的盤邊緣區(qū)域中機(jī)械測試之后，穿過根據(jù)本發(fā)明涂布的鋼制活塞的截面的顯微鏡可見的顯微圖；
[0031]圖3:根據(jù)對比例的盤邊緣區(qū)域中發(fā)動機(jī)測試之后，穿過未涂布的鋼制活塞的截面的顯微鏡可見的顯微圖；
[0032]圖4:25000x放大倍數(shù)下，經(jīng)拋光的硬金屬基底上的根據(jù)第一實(shí)施方式的保護(hù)層；以及
[0033]圖5:50000χ放大倍數(shù)下，經(jīng)拋光的硬金屬基底上的根據(jù)第二實(shí)施方式的保護(hù)層。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下詳細(xì)描述了利用已知的PVD法將根據(jù)本發(fā)明的保護(hù)層涂覆至活塞頂上的實(shí)施例。
[0035]作為PVD方法的實(shí)例，涂布工藝描述如下，其基于反應(yīng)性陰極火花蒸鍍。然而，這不應(yīng)被理解為僅限于該P(yáng)VD方法。其它PVD方法，例如濺射、電子束蒸鍍或激光消融可用于涂布，然而，這些方法具有較低的成本效應(yīng)，并在檢測涂布工藝時需要較多的