[發明專利]內燃機活塞環

有效

• 申請號: 200680048203.1
• 申請日: 2006-06-02
• 公開（公告）號: CN101365899A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 若澤·瓦倫廷·利馬·薩拉班達;羅伯特·理查德·班菲爾德;吉塞拉·阿布拉斯·馬克斯
• 申請（專利權）人: 馬勒國際公司;馬勒發動機零部件巴西有限公司
• 主分類號: F16J9/26
• 分類號: F16J9/26
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司
• 代理人: 宋丹氫;張天舒

技術領域

本發明涉及一種用于內燃機的活塞環，由鋼或鑄鐵基材構成，

在活塞環的滑動面上帶有通過物理氣相沉積工藝沉積的氮化鉻涂層。

背景技術

在活塞環外周面上使用帶有CrN相典型晶體結構的氮化鉻膜層，為這種部件提供了高耐磨損性。在新近開發的具有高機械和熱負荷的現代發動機中，廣泛使用這種膜層。這樣一種涂層通過由陰極電弧源產生的物理金屬氣相沉積獲得。

然而，在有些近來極高負荷的發動機中，或者在帶有高等級燃燒壓力的發動機中，如為下個十年所設計的發動機，氮化鉻的這種陶瓷涂層呈現固有的脆性，導致在其表面上微裂紋的產生。這些微裂紋擴展及其并合，導致損失涂層片、損傷其表面，以及，在某些情況下，導致發動機缸套上的刮痕。缸套上的刮痕和活塞環工作面的損傷認為是系統的功能失效。

對在材料損失和缸套刮痕之前抑制微裂紋產生的改進，在專門文獻中提出了通過在CrN相晶體涂層中以固溶體形式生成添加氧、碳和硼的氮化鉻膜層。添加這些元素被認為是抑制微裂紋增加的內在原因。

添加少量其他反應氣體能改變物理氣相工藝沉積的涂層的晶體結構，這是在文獻中給出的典型技術，例如Mattox在由Noyes編輯的、1998年出版的物理氣相沉積工藝手冊(Handbook?of?PhysicalVapor?Deposition(PVD))的486頁提出的技術。文獻提及物理氣相沉積的膜層呈現柱狀晶體形態，其特定晶體取向的擇優生長平行于膜層表面。特定晶面的擇優取向可以改變膜層的性質，并且取決于沉積參數，諸如基體溫度、反應氣體的添加以及離子轟擊等。

美國專利No.5743536提及，CrN的晶體擇優取向可以是(111)密排面平行于表面，以及，這種取向有改善膜層剝落的作用。這種擇優取向是在沒有給氮反應氣外加任何其他摻雜元素的情況下通過調節沉積參數獲得的。然而，沒有提及這種取向是否是觀察到的唯一一種，也就是，擇優取向是否意味著平行于表面的晶體100％是具有(111)晶體取向的晶粒，或者其中允許一部分其他的晶體取向。

除了關于不如晶面(111)密排的其他晶面含量的這種較松散的限定之外，用美國專利No.5743536中披露的工藝制造出的CrN涂層，具有600至1000HV相對較低的維氏硬度，這將危及膜層耐磨損性，使其不能適用于近期的高負荷發動機。

英國專利No.GB2276176披露了摻雜3重量％至20重量％氧的CrN，或可選擇地，摻雜2重量％至11重量％碳的CrN。這樣做的主要目的是提供具有更高的耐磨損性和耐拉缸性的涂層。由添加氧可能帶來的CrN涂層的晶體變化未進行討論或不包括在本專利的權利要求中，但第六頁圖6上示出的X射線衍射圖，顯示出在用10重量％氧摻雜之后，CrN結構具有擇優晶面(200)。

美國專利No.6149162披露了帶有0.5重量％至20重量％的氧的CrN晶體結構的氮化鉻膜層的沉積，并提出了帶有擇優取向晶面(200)平行于涂層表面的顯微結構。在該專利中提及，與平行于涂層表面的擇優取向晶面(200)相比，帶有擇優取向晶面(111)的CrN晶體結構是碎性的。在該專利中，提供了在晶體涂層中添加氧與其晶體結構隨之發生的改變的關系，由此將改善涂層對微裂紋產生的涂層抑制性。然而，擇優取向的定義非常廣泛，不允許占絕大多數程度的限定，如果這意味著100％，或者如果這允許一定殘余量的、具有所述脆性的晶面(111)。類似地，擇優取向的定義，沒有給CrN涂層中晶面(111)與晶面(200)的大強度比強加一個臨界值。

此外，公知的是，晶體結構氮化鉻或CrN相，在其本質上如標準化那樣建立的形式上，用X射線衍射進行測量，以晶面(111)與晶面(200)之間的強度比大約0.80出現。此信息登記在ICDD(International?Centre?for?Diffraction?Data，國際衍射數據中心)的數據庫的JCPDS(Joint?Committee?of?Powder?Diffraction?Standards，粉末衍射標準聯合委員會)卡片no.11-65上。所以，擇優取向晶面的存在必須比得上這種基準CrN相晶面強度比。

在上述現有技術的相關狀態中，帶有CrN晶體結構的氮化鉻涂層，可以構造有：擇優取向晶面(111)，呈現與用于獲得此取向所使用的沉積參數相關的低硬度；或者，擇優取向晶面(200)平行于表面，用添加寬范圍的氧獲得。上述技術的任何一種，都沒有提出擇優平衡取向，其允許上述二種情況存在密排面(111)與松散結構晶面(200)二者之間的特定比。

發明內容