[发明专利]内燃机活塞环

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的活塞环，由钢或铸铁基材构成，

在活塞环的滑动面上带有通过物理气相沉积工艺沉积的氮化铬涂层。

背景技术

在活塞环外周面上使用带有CrN相典型晶体结构的氮化铬膜层，为这种部件提供了高耐磨损性。在新近开发的具有高机械和热负荷的现代发动机中，广泛使用这种膜层。这样一种涂层通过由阴极电弧源产生的物理金属气相沉积获得。

然而，在有些近来极高负荷的发动机中，或者在带有高等级燃烧压力的发动机中，如为下个十年所设计的发动机，氮化铬的这种陶瓷涂层呈现固有的脆性，导致在其表面上微裂纹的产生。这些微裂纹扩展及其并合，导致损失涂层片、损伤其表面，以及，在某些情况下，导致发动机缸套上的刮痕。缸套上的刮痕和活塞环工作面的损伤认为是系统的功能失效。

对在材料损失和缸套刮痕之前抑制微裂纹产生的改进，在专门文献中提出了通过在CrN相晶体涂层中以固溶体形式生成添加氧、碳和硼的氮化铬膜层。添加这些元素被认为是抑制微裂纹增加的内在原因。

添加少量其他反应气体能改变物理气相工艺沉积的涂层的晶体结构，这是在文献中给出的典型技术，例如Mattox在由Noyes编辑的、1998年出版的物理气相沉积工艺手册(Handbook of PhysicalVapor Deposition(PVD))的486页提出的技术。文献提及物理气相沉积的膜层呈现柱状晶体形态，其特定晶体取向的择优生长平行于膜层表面。特定晶面的择优取向可以改变膜层的性质，并且取决于沉积参数，诸如基体温度、反应气体的添加以及离子轰击等。

美国专利No.5743536提及，CrN的晶体择优取向可以是(111)密排面平行于表面，以及，这种取向有改善膜层剥落的作用。这种择优取向是在没有给氮反应气外加任何其他掺杂元素的情况下通过调节沉积参数获得的。然而，没有提及这种取向是否是观察到的唯一一种，也就是，择优取向是否意味着平行于表面的晶体100％是具有(111)晶体取向的晶粒，或者其中允许一部分其他的晶体取向。

除了关于不如晶面(111)密排的其他晶面含量的这种较松散的限定之外，用美国专利No.5743536中披露的工艺制造出的CrN涂层，具有600至1000HV相对较低的维氏硬度，这将危及膜层耐磨损性，使其不能适用于近期的高负荷发动机。

英国专利No.GB2276176披露了掺杂3重量％至20重量％氧的CrN，或可选择地，掺杂2重量％至11重量％碳的CrN。这样做的主要目的是提供具有更高的耐磨损性和耐拉缸性的涂层。由添加氧可能带来的CrN涂层的晶体变化未进行讨论或不包括在本专利的权利要求中，但第六页图6上示出的X射线衍射图，显示出在用10重量％氧掺杂之后，CrN结构具有择优晶面(200)。

美国专利No.6149162披露了带有0.5重量％至20重量％的氧的CrN晶体结构的氮化铬膜层的沉积，并提出了带有择优取向晶面(200)平行于涂层表面的显微结构。在该专利中提及，与平行于涂层表面的择优取向晶面(200)相比，带有择优取向晶面(111)的CrN晶体结构是碎性的。在该专利中，提供了在晶体涂层中添加氧与其晶体结构随之发生的改变的关系，由此将改善涂层对微裂纹产生的涂层抑制性。然而，择优取向的定义非常广泛，不允许占绝大多数程度的限定，如果这意味着100％，或者如果这允许一定残余量的、具有所述脆性的晶面(111)。类似地，择优取向的定义，没有给CrN涂层中晶面(111)与晶面(200)的大强度比强加一个临界值。

此外，公知的是，晶体结构氮化铬或CrN相，在其本质上如标准化那样建立的形式上，用X射线衍射进行测量，以晶面(111)与晶面(200)之间的强度比大约0.80出现。此信息登记在ICDD(International Centre for Diffraction Data，国际衍射数据中心)的数据库的JCPDS(Joint Committee of Powder Diffraction Standards，粉末衍射标准联合委员会)卡片no.11-65上。所以，择优取向晶面的存在必须比得上这种基准CrN相晶面强度比。

在上述现有技术的相关状态中，带有CrN晶体结构的氮化铬涂层，可以构造有：择优取向晶面(111)，呈现与用于获得此取向所使用的沉积参数相关的低硬度；或者，择优取向晶面(200)平行于表面，用添加宽范围的氧获得。上述技术的任何一种，都没有提出择优平衡取向，其允许上述二种情况存在密排面(111)与松散结构晶面(200)二者之间的特定比。

发明内容