[發明專利]發動機用活塞環及其制造方法

無效

• 申請號: 201110449757.5
• 申請日: 2011-12-29
• 公開（公告）號: CN103016200A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 安正煜
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社
• 主分類號: F02F5/00
• 分類號: F02F5/00;C23C28/00
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術領域

本公開涉及發動機用活塞環及活塞環的制造方法，配置所述活塞環以使活塞環的外周處理有低摩擦Si-DLC(硅摻雜類金剛石)，從而減小發動機汽缸的摩擦損耗并改善燃料效率。

背景技術

活塞環被定義為一對裝配到活塞外周的凹槽以保持活塞與汽缸內壁之間某種程度的氣密性，并從汽缸壁刮去潤滑劑的環形物，由此防止潤滑劑流入燃燒室中。

圖1示出常規發動機用活塞環的涂覆狀態。這樣的活塞環在保持耐久性以及具有低摩擦系數方面有困難。為此，通常用Cr(鉻)或氮化物(氣體氮化)鍍覆活塞環10的外周。近年來，由于高油價和對CO₂的限制，提出使用CrN(氮化鉻)等的各種表面處理技術來減小摩擦損耗并改善耐久性。

在表面處理方法中，DLC(類金剛石)是金剛石與石墨之間的中間相，因此DLC保持石墨的低摩擦系數、金剛石的高度硬度、和優異的耐化學性。因此，當將DLC施用于活塞環的外周時，可進一步減小發動機的摩擦損耗，由此導致車輛燃料效率的改進。

然而，DLC有問題的是，當DLC長時期暴露在高溫時，摩擦和耐久性劣化，因此涂層中殘余應力增加。由于涂層上應力增加，涂層的厚度在某些部分也可能增加。當這發生時，涂層可因增加的摩擦而剝落。

上述僅設計為幫助理解本發明的背景。

發明內容

本發明致力于解決與現有技術關聯的上述問題。本發明的目的是提供用于發動機的活塞環及制造活塞環的方法，配置所述活塞環以使活塞環的外周涂覆有低摩擦Si-DLC，從而減小發動機汽缸中的摩擦損耗并改善燃料效率，由此同時實現低摩擦特性和高耐久性。

一方面，本發明提供發動機用活塞環，其包括涂覆在基礎材料表面上的鉻(Cr)涂層；和涂覆在Cr層和基礎材料的頂部的最外層上并且包括約3～10wt.％的Si的硅摻雜類金剛石(Si-DLC)涂層。優選地，活塞環還可包括涂覆在Cr涂層與Si-DLC涂層之間的氮化鉻(CrN)涂層。

在一些實施方式中，Si-DLC涂層可以具有約0.1至10μm的厚度，且Si可均勻分布在Si-DLC涂層中。Si-DLC涂層的Si含量可延從涂層內部到外部的方向增加。

可通過碳化氣體(C_xH_y)與TMS(四甲基硅烷，Si(CH₃)₄)氣體之間或碳化氣體與HM?SO(六甲基二硅氧烷，O(Si(CH₃)₃)₂)氣體之間的化學反應形成Si-DLC涂層。

可僅在與氣缸內壁接觸的基礎材料的外周上形成Cr涂層和Si-DLC涂層。

另一方面，本發明提供制造發動機用活塞環的方法，其包括a)在基礎材料上涂覆Cr涂層；和b)通過碳化氣體(C_xH_y)與TMS氣體之間或碳化氣體與HMDSO氣體之間的化學反應涂覆Si-DLC涂層。

優選地，該方法還可包括在基礎材料上涂覆Cr涂層的同時，通過N₂氣與濺射的Cr離子之間的化學反應涂覆CrN涂層。此外，在涂覆Si-DLC涂層時，可調整TMS或HMDSO氣體的注入量以使Si-DLC涂層的Si含量從涂層的內部向外部增加。更具體地，Si-DLC涂層可包括3～10wt.％的Si。

如從上面的描述中顯然看出，本發明提供發動機用活塞環及其制造方法，其中Si-DLC的摩擦系數比Cr鍍層(plating)和氮化層(nitriding)小至少23％，且比CrN小至少11％，由此減小活塞環的摩擦損耗并提高燃料效率至少0.2～0.5％。

下面討論本發明的其它方面和優選實施方式。

附圖說明

現在將參考本發明的某些示例性實施方式來詳細地描述本發明的上述和其它特征，其在所附附圖中說明，下文給出的這些實施方式僅僅用于舉例說明，因此不是對本發明的限制，其中：

圖1是示出常規發動機用活塞環的涂覆狀態的視圖；

圖2是示出根據本發明的實施方式的發動機用活塞環的視圖；

圖3是圖2中所示的發動機用活塞環的涂層的截面圖；

圖4是示出制造圖2中所示的發動機用活塞環的設備的視圖；且

圖5至7是示出本發明的實施方式與比較例之間性能比較的圖。