在一个涂覆操作中在活塞环的工作面、侧面以及内径上进行耐磨涂层的化学气相沉积的制作方法
【专利说明】在一个涂覆操作中在活塞环的工作面、侧面以及内径上进行耐磨涂层的化学气相沉积
相关申请的交叉引用
[0001]该美国发明专利申请要求于2012年10月11日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/712,439以及2013年3月15日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/787，231的权益，其通过引用整体合并入此处。
技术领域
[0002]本发明大致涉及用于内燃机的活塞环，以及更具体地涉及带有涂层的活塞环，以及形成该带有涂层的活塞环的方法。
【背景技术】
[0003]一种往复式发动机(例如内燃机)的活塞通常包括设置在沿着活塞的外径的凹槽内的多个环。该活塞环有利于引导活塞在缸膛内的往复运动。该活塞环还能密封燃烧气体以及抑制油的向上流动。该活塞环在沿着缸膛移动时由于气体的负载以及它们自身的负载而容易受到磨损。因此，该活塞环通常需要进行涂层或处理以增强其耐磨性。例如，该活塞环可被氮化，涂覆铬，或涂覆陶瓷，上述方案均可通过物理气相沉积(PVD)施加。
【发明内容】
[0004]本发明提供用于形成多个带有涂层的活塞环的方法。一种方法包括以下步骤:提供由第一金属材料成形并且包括多个表面的线圈；在单个时间段内通过化学气相沉积(CVD)工艺向该线圈的所有表面施加涂层；以及将该带有涂层的线圈拆分成多个带有涂层的活塞环。
[0005]本发明还提供一种用于形成多个带有涂层的拱心石(keystone)活塞环的方法。该方法包括:提供一叠分别由第一金属材料形成的拱心石活塞环本体；以及在单个时间段内通过CVD工艺向该拱心石活塞环本体的所有表面施加涂层。
[0006]该CVD工艺提供了一种具有优良耐磨性能的带有涂层的活塞环。此外，相比使用现有技术中的方法制成的活塞环，该带有涂层的活塞环能够以减少的制造工时和制造成本形成，因为现有技术中的方法要求多个涂覆操作来涂覆该活塞环的所有表面。
【附图说明】
[0007]参考以下的详细说明以及所附附图，本发明的其他优点将更易于领会，同时得到更好的理解，其中:
[0008]图1是根据本发明的一个典型方法形成的带有涂层的活塞环的透视图；
[0009]图1A是如图1所示的带有涂层的活塞环沿着线A-A的剖视图；
[0010]图2是根据另一典型实施例形成的带有涂层的拱心石活塞环的透视图；
[0011]图2A是如图2所示的带有涂层的拱心石活塞环沿着线A-A的剖视图；
[0012]图3示出了用于形成该带有涂层的活塞环的典型方法；
[0013]图4示出了用于形成图1中的带有涂层的活塞环的线圈；
[0014]图5是图4中的线圈的绕组在实施CVD涂层之后沿着线B-B的剖面图；
[0015]图6是堆叠的拱心石活塞环的一部分在CVD工艺中的剖视图。
【具体实施方式】
[0016]本发明提供一种形成用于往复式发动机应用(例如内燃机)的多个带有涂层的活塞环10，110的改进方法。这种带有涂层的活塞环10，110的形成方法包括化学气相沉积(CVD)工艺并仅需一个单一的涂覆操作，相比需要多个涂覆操作的方法既减少了制造工时又降低了制造成本。该CVD工艺还提供了一种具有优良的耐磨损性能的带有涂层的活塞环10，IlOo
[0017]图1和图2是根据本发明的方法形成的带有涂层的活塞环10，110的实施例。该带有涂层的活塞环10，110通常设置于沿着活塞(未示出)的外径的凹槽内，以便于引导活塞在缸膛内的往复运动，同时还能密封燃烧气体并抑制油的向上流动。每个带有涂层的活塞环10，110可被相邻设置或设置于其他带有涂层的活塞环10，110之间。
[0018]该带有涂层的活塞环10，110包括沿着中心轴A周向延伸的环本体12，112，如图1和图2所示。该带有涂层的活塞环10，110的本体12，112通常由铁基材料形成，例如铸铁，钢，或铸钢，但也可由能够承受往复式发动机的状况的其他材料形成。该环本体12，112示出为具有外径表面14，114，与该外径表面14，114相对的内径表面16，116，以及将该外径表面14，114与内径表面16，116彼此间隔开的端面18，118。该环本体12，112通常是裂开的，使其具有沿着各表面14，114，16，116，18，118的开口 20，120。该环本体12，112可以是全断面的，半嵌入式的，或全嵌入式的。例如，该环本体12，112可具有沿着外径表面14，114的凹槽(未示出)，或者可包括植入外径表面14，114的不同的第二金属材料(未示出)。
[0019]图1所示的带有涂层的活塞环10包括一种标准设计。该标准活塞环10的剖视图如图1A所示。图2中的带有涂层的活塞环110被称作“拱心石”活塞环。图2A是该带有涂层的拱心石活塞环110的剖视图，示出了该带有涂层的拱心石活塞环110包括具有端面118的拱心石活塞环本体112，该端面各自相对外径表面114成一定角度设置并朝向彼此延伸，并从外径表面114朝着内径表面116向内延伸。此外，该拱心石活塞环本体112的外径表面114可轻微地向外凸起，内径表面116可轻微地向内凹陷。
[0020]该带有涂层的活塞环10，110还包括CVD涂层22，该涂层设置于环本体12，112的多个表面14，114，16，116，18，118，并优选为环本体12，112的所有表面14，114，16，116，18，118，包括外径表面14，114，内径表面16，116，以及端面18，118，但不包括面向开口 20，120的切断面上。
[0021]沿着环本体12的外径表面14，114设置的部分CVD涂层22提供了在往复式发动机的工作期间用于和缸膛(未示出)配合的工作面。该CVD涂层22可在单个涂覆操作中施加到多个活塞环本体12，112的表面14，114，16，116，18，118上。因此，与现有技术中的带有涂层的活塞环相比，多个带有涂层的活塞环10，110可在较短的时间内以及较低的制造成本下进行制造，现有技术中的带有涂层的活塞环的形成方法需要多个操作以在表面上涂层。
[0022]该CVD涂层22包括至少一层24，但是也可包括多层24，如图1A所示。例如，该CVD涂层22可包括基本层，中间层，和顶层。多种不同的化合物可被用来形成该CVD涂层22，例如包括氮和碳中的至少一种的化合物，以及钛，络，铪中的至少一种的化合物。示例性的化合物包括:TiN，CrN, HfN, TiCN, TiC,以及CrC。该CVD涂层22的化合物优选提供高耐磨性。根据一个实施例，该CVD涂层22包括多层24，其中，基本层包括TiC，中间层包括Al2O3,顶层包括TiN。根据另一实施方式，其中CVD涂层22包括多层24，基本层包括TiC，中间层包括TiCN，顶层包括TiN。该CVD涂层22的各层24的厚度可不同，但是涂层22通常具有约10 μ m?50 μ m的总厚度。通常在CVD涂层22沉积到环本体12，112上之后再对该带有涂层的活塞环10，110进行热处理和完成步骤。
[0023]用于形成图1中所示的带有涂层的活塞环10的典型方法如图3所示。该方法包括提供用于形成环本体12的第一金属材料，通常为铁基材料。该步骤包括提供由第一金属材料形成的线材。该线材包括外径表面14，内径表面16，以及端面18。根据一个实施例，该方法包括:形成沿着线材的外径表面14的凹槽(未示出)；将与第一金属材料不同的第二金属材料(未示出)植入线材的外径表面14 ;或嵌入线材的外径表面14。
[0024]进一步地，该方法包括将线材成卷。该步骤包括将线材周向地围绕一中心轴A弯曲提供一线圈32，如图4所示。该线圈32包括连续地沿一中心轴A延伸并围绕该中心轴周向地延伸的多个绕组34。各个绕组包括外径表面14，内径表面16，以及端面18。在涂覆步骤之后，线圈32的三个绕组34的剖视图如图5所示。该多个绕组34彼此略有间隔或相互啮合。
[0025]在将线材成卷之后，该方法包括在一单个的连续的时间段里对线圈32的各个绕组34的所有表面14，16，18施加CVD涂层22。该涂层在单个时间段里施加到外径表面14，内径表面16以及端面18上。
[0026]在另一实施例中，其中该方法包括形成带有涂层的拱心石活塞环110而并非提供线圈32，该方法包括提供一叠各自由第一金属材料形成的拱心石活塞环本体112，随后在单个实施步骤中对各个拱心石活塞环本体112的所有表面114，116，118施加CVD涂层22。图6示出了在该CVD涂层工艺中该叠拱心石活塞环本体112的一部分。在该实施例中，沿着开口 120的切断面可在单个涂层操作中进行涂层。
[0027]化学气相沉积(CVD)工艺被用来仅在单个涂层操作中对环本体12，112的表面14，114，16，116，18，118进行涂层。任何本领域已知的CVD工艺均可应用于此。可使用的CVD工艺的类型包括大气压力CVD，低压CVD，以及等离子增强CVD。该CVD工艺可在例如900?1050°C的高温下进行，或例如700?900°C的中等温度下进行，或不超过500°C的低温下进行。根据一个实施方式，该工艺包括将线圈32或拱心石活塞环本体112设置于一反应室中，加热该线圈32或拱心石活塞环本体112，以气体形式提供用于形成CVD涂层22的化合物，在该反应室中将气体施加到加热的线圈32或拱心石活塞环本体112上，以及将涂层22沉积到加热的线圈32或拱心石活塞环本体112上。在一个实施例中，具有多个孔口 28的管子26被设置于该反