[发明专利]发动机用活塞环及其制造方法

说明书

技术领域

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Si-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。

背景技术

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发明的背景。

发明内容

本发明致力于解决与现有技术关联的上述问题。本发明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Si-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，本发明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3～10wt.％的Si的硅掺杂类金刚石(Si-DLC)涂层。优选地，活塞环还可包括涂覆在Cr涂层与Si-DLC涂层之间的氮化铬(CrN)涂层。

在一些实施方式中，Si-DLC涂层可以具有约0.1至10μm的厚度，且Si可均匀分布在Si-DLC涂层中。Si-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(C_xH_y)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，O(Si(CH₃)₃)₂)气体之间的化学反应形成Si-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Si-DLC涂层。

另一方面，本发明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(C_xH_y)与TMS气体之间或碳化气体与HMDSO气体之间的化学反应涂覆Si-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Si-DLC涂层时，可调整TMS或HMDSO气体的注入量以使Si-DLC涂层的Si含量从涂层的内部向外部增加。更具体地，Si-DLC涂层可包括3～10wt.％的Si。

如从上面的描述中显然看出，本发明提供发动机用活塞环及其制造方法，其中Si-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0.2～0.5％。

下面讨论本发明的其它方面和优选实施方式。

附图说明

现在将参考本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，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，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出常规发动机用活塞环的涂覆状态的视图；

图2是示出根据本发明的实施方式的发动机用活塞环的视图；

图3是图2中所示的发动机用活塞环的涂层的截面图；

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是示出本发明的实施方式与比较例之间性能比较的图。