发动机用活塞环及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种发动机用活塞环及该活塞环的制造方法。所述活塞环至少包括涂覆在基础材料表面上的Cr(铬)涂层，和涂覆在Cr层和基础材料之上的最外层上的Si-DLC(硅掺杂类金刚石)涂层。更具体地，该Si-DLC层包括约3～10wt.％的Si。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及发动机用活塞环及活塞环的制造方法，配置所述活塞环以使活塞环的外周处理有低摩擦S1-DLC (硅掺杂类金刚石)，从而减小发动机汽缸的摩擦损耗并改善燃料效率。
技术介绍
活塞环被定义为一对装配到活塞外周的凹槽以保持活塞与汽缸内壁之间某种程度的气密性，并从汽缸壁刮去润滑剂的环形物，由此防止润滑剂流入燃烧室中。图1示出常规发动机用活塞环的涂覆状态。这样的活塞环在保持耐久性以及具有低摩擦系数方面有困难。为此，通常用Cr(铬)或氮化物(气体氮化)镀覆活塞环10的外周。近年来，由于高油价和对CO2的限制，提出使用CrN(氮化铬)等的各种表面处理技术来减小摩擦损耗并改善耐久性。在表面处理方法中，DLC(类金刚石)是金刚石与石墨之间的中间相，因此DLC保持石墨的低摩擦系数、金刚石的高度硬度、和优异的耐化学性。因此，当将DLC施用于活塞环的外周时，可进一步减小发动机的摩擦损耗，由此导致车辆燃料效率的改进。然而，DLC有问题的是，当DLC长时期暴露在高温时，摩擦和耐久性劣化，因此涂 层中残余应力增加。由于涂层上应力增加，涂层的厚度在某些部分也可能增加。当这发生时， 涂层可因增加的摩擦而剥落。上述仅设计为帮助理解本专利技术的背景。
技术实现思路
本专利技术致力于解决与现有技术关联的上述问题。本专利技术的目的是提供用于发动机的活塞环及制造活塞环的方法，配置所述活塞环以使活塞环的外周涂覆有低摩擦S1-DLC， 从而减小发动机汽缸中的摩擦损耗并改善燃料效率，由此同时实现低摩擦特性和高耐久性。一方面，本专利技术提供发动机用活塞环，其包括涂覆在基础材料表面上的铬(Cr)涂层；和涂覆在Cr层和基础材料的顶部的最外层上并且包括约3 IOwt. %的Si的硅掺杂类金刚石(S1-DLC)涂层。优选地，活塞环还可包括涂覆在Cr涂层与S1-DLC涂层之间的氮化铬(CrN)涂层。在一些实施方式中，S1-DLC涂层可以具有约O.1至10 μ m的厚度，且Si可均匀分布在S1-DLC涂层中。S1-DLC涂层的Si含量可延从涂层内部到外部的方向增加。可通过碳化气体(CxHy)与TMS (四甲基硅烷，Si (CH3) 4)气体之间或碳化气体与HM SO (六甲基二硅氧烷，0(Si(CH3)3)2)气体之间的化学反应形成S1-DLC涂层。可仅在与气缸内壁接触的基础材料的外周上形成Cr涂层和S1-DLC涂层。另一方面，本专利技术提供制造发动机用活塞环的方法，其包括a)在基础材料上涂覆 Cr涂层；和b)通过碳化气体(CxHy)与TMS气体之间或碳化气体与HMDSO气体之间的化学反应涂覆S1-DLC涂层。优选地，该方法还可包括在基础材料上涂覆Cr涂层的同时，通过N2气与溅射的Cr 离子之间的化学反应涂覆CrN涂层。此外，在涂覆S1-DLC涂层时，可调整TMS或HMDSO气 体的注入量以使S1-DLC涂层的Si含量从涂层的内部向外部增加。更具体地，S1-DLC涂层 可包括3 IOwt. %的Si。如从上面的描述中显然看出，本专利技术提供，其中 S1-DLC的摩擦系数比Cr镀层(plating)和氮化层(nitriding)小至少23%,且比CrN小 至少11%，由此减小活塞环的摩擦损耗并提高燃料效率至少O. 2 O. 5%。下面讨论本专利技术的其它方面和优选实施方式。附图说明现在将参考本专利技术的某些示例性实施方式来详细地描述本专利技术的上述和其它特 征，其在所附附图中说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于举例说明，因此不是对本专利技术 的限制，其中图1是示出常规发动机用活塞环的涂覆状态的视图2是示出根据本专利技术的实施方式的发动机用活塞环的视图3是图2中所示的发动机用活塞环的涂层的截面图4是示出制造图2中所示的发动机用活塞环的设备的视图；且图5至7是示出本专利技术的实施方式与比较例之间性能比较的图。应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本专利技术基本原理的各种 优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本专利技术的具体设计特征，包括，例如，具体 大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本专利技术的相同或等同部件。具体实施方式下面将详细地参照本专利技术的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下 文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本专利技术，但应当理解，本说明书无意于将本发 明局限于这些示例性实施方式。相反，本专利技术不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由 所附权利要求所限定的本专利技术的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实 施方式。应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车， 例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶 的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其 它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具 有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。根据本专利技术的优选实施方式的将参考附图在下面 加以描述。图2是示出根据本专利技术的实施方式的发动机用活塞环的视图，并且图3是图2中 示出的发动机用活塞环的涂层的截面图。根据本专利技术的发动机用活塞环包括涂覆在基础材料100表面上的Cr涂层200，和涂覆在基础材料100的最外层上并且包括约3 IOwt. %的Si的S1-DLC(类金刚石)涂层600。在一些实施方式中，还可将CrN涂层400设置在Cr涂层200与S1-DLC涂层600之间。这样的构造可减小活塞环的摩擦损耗并提高燃料效率至少O. 2 O. 5 %，因为 S1-DLC的摩擦系数比Cr镀层和氮化层小至少23%，且比CrN小至少11%。而且，S1-DLC 的耐刮擦性比Cr镀层和氮化层优于至少50 %，且比仅有CrN优于至少30 %或更多，由此抑制油膜的破坏并改善活塞环的耐久性。而且，将Si掺杂在DLC上以增强DLC的低摩擦和高温耐磨性。因此，即使S1-DLC 被磨损，由Cr和CrN组成的多层结构形成下层，因此改善活塞环的耐久性。在本专利技术的示例性实施方式中，S1-DLC涂层600可具有O.1至10 μ m的厚度。而且，Si可均匀分布在S1-DLC涂层600中。可形成S1-DLC涂层600以使Si含量从涂层600 的内部向外部增加。当Si含量在阶段(stage)/水平或层中变化时，S1-DLC涂层600即使在高温也可更有效地保持低摩擦和高耐久性。在本专利技术的示例说明的实施方式中，通过碳化气体(CxHy)与TMS气体之间或碳化气体与HMDSO气体之间的化学反应形成S1-DLC涂层600。然而，形成S1-DLC层600的任何方法都是可接受的。而且，理想的是，仅在与汽缸内壁接触的基础材料100的外周上处理 Cr涂层200和S1-DLC涂层600。如此，应用于本专利技术的S1-DLC是比CrN具有更低的摩擦系数和更高的硬度的涂覆材料，因此对活塞环的摩擦减小、耐磨性、和耐刮擦性非常有效。而且，由于S1-DLC是通过均匀或逐渐掺杂Si而形成的，所以与常规DLC层不同，其即使在高温也可保持低摩擦和高耐久性。同时，图4是示出制造图2中所示的发动机用活塞环的设备的视图。下面将描述使用该设备的根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发动机用活塞环，包括：涂覆在基础材料表面上的Cr(铬)涂层；和涂覆在所述Cr涂层和所述基础材料之上的最外层上的Si?DLC(硅掺杂类金刚石)涂层，所述Si?DLC层包括约3～10wt.％的Si。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：安正煜，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：