CN110678675A - 活塞环及制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于往复式内燃机的活塞的活塞环及制造活塞环的方法。所述活塞环包括具有外周表面的主体。摩擦涂层形成在所述主体的外周表面上。所述摩擦涂层具有多层结构，并且包括较硬的基层和覆盖在所述基层上的较多孔的顶层。

Description

活塞环及制造方法
技术领域
本公开主要涉及一种用于往复式发动机的活塞的活塞环，并且更具体地，涉及用于活塞环的涂层。
背景技术
活塞环是开口的环，其装配到形成在诸如内燃机的往复式发动机的活塞的外周中的环形槽中。典型的活塞配备有多个活塞环，包括上压缩环、控油环和刮油环。许多活塞环构成为具有比布置它们的气缸大的松弛直径。当布置在发动机的气缸内时，活塞环由于其固有的弹簧力而在活塞周围被压缩，这确保了环与气缸的内壁之间的足够的径向接触。在发动机运行期间，活塞在气缸内上下移动，并且由活塞环施加在气缸壁上的径向压力在活塞周围提供将燃烧室与曲轴箱隔离的密封。来自燃烧室的气体压力可以通过将活塞环向外推并增加活塞环与气缸壁之间的径向接触压力来提高活塞环的密封能力。
活塞与气缸的内壁之间的有效气密密封对于有效的发动机运行是必需的，并且是压缩型活塞环的主要职责。压缩环位于最靠近燃烧室的位置并且有助于防止已知的“漏气”现象，其中燃烧气体通过活塞环而从燃烧室泄漏到曲轴箱中。另外，压缩环还通过防止润滑不需要的过量的油从曲轴箱沿相反的方向进入到燃烧室中来帮助控制油耗。为了在燃烧室与曲轴箱之间获得有效的密封，压缩环必须始终且完全接触气缸的内壁。然而，由于制造公差以及施加在发动机上的热负荷和机械负荷，环的形状可能并不总是与布置环的气缸的形状匹配。
初始组装新的“绿色”发动机后，活塞环可能无法完全符合布置它们的气缸的形状。在这种情况下，活塞环必须经历磨合或磨合阶段，其中活塞环通过物理磨损气缸壁而被安置到气缸壁，直到在两者之间建立有效的气密密封为止。在此初始磨合期间，由于活塞环与气缸壁之间的接触压力中的间隙或局部变化，可能会导致燃烧气体漏气以及发动机的过量的油耗。因此，期望减少初始磨合阶段的持续时间，使得发动机尽快达到其最佳运行效率。
一些改善发动机磨合性能的方法涉及将牺牲性或耐磨性涂层施加到滑动部件的配合或接触表面上。这些牺牲性涂层被设计成在发动机初始运行期间必要时容易磨损，使得滑动部件的接触轮廓彼此快速贴合，而在它们之间几乎没有留下间隙。为了实现期望的耐磨级别，这种涂层通常由聚合物材料和/或干润滑剂制成，它们能够容易地磨损和/或从一个接触表面转移到另一个接触表面。然而，这些聚合物材料和/或干润滑剂的磨损部分可能污染发动机的工作环境和/或可能损害滑动部件的接触表面。因此，在本领域中仍然需要增强发动机磨合性能的改进方法。
发明内容
提供了一种活塞环，其包括具有外周表面的主体。在主体的外周表面上形成摩擦涂层。摩擦涂层包括基层和覆盖该基层的顶层。顶层可以包括基于过渡金属的氮化物的材料，其中过渡金属可以选自由钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)以及它们的组合组成的组。与基层的孔隙率和维氏硬度相比，顶层可以具有相对较高的孔隙率和相对较低的维氏硬度。
在一种形式中，摩擦涂层的基层可以包括基于过渡金属的氮化物的材料，并且过渡金属可以选自由钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)以及它们的组合组成的组。在另一形式中，基层可以包括类金刚石碳(DLC)基材料。
摩擦涂层的顶层可以限定活塞环的气缸壁接合表面，并且可以具有呈现出多个谷和脊的轮廓。
可以在主体的外表面上形成氮化层，并且可以在主体的外表面上在氮化层与摩擦涂层之间沉积中间涂层。
摩擦涂层可以通过物理气相沉积(PVD)工艺沉积在活塞环的外周表面上。物理气相沉积工艺的至少一个工艺参数可以在沉积工艺的中途进行修改，使得摩擦涂层的顶层与下面的基层相比展现出较高的孔隙率和较低的维氏硬度。
如上所述，活塞环可以与活塞结合使用，并且布置在往复式内燃机的气缸内，以在燃烧室与曲轴箱之间围绕活塞形成密封。
附图说明
图1为用于往复式内燃机的活塞和连接杆组件的示意性侧视图；
图2是活塞环的示意性立体图；
图3是沿着线3-3剖切的图2的活塞环的示意性剖视图；以及
图4是活塞环的接触表面的一部分的示意性剖视图。
具体实施方式
当前公开的摩擦涂层可以形成在滑动部件(诸如用于往复式内燃机的活塞的活塞环)上。当摩擦涂层形成在活塞环(诸如上压缩环)的外周表面上时，与现有技术的活塞环相比，摩擦涂层可以为活塞环提供优异的短期和长期性能。例如，当前公开的摩擦涂层可以允许在相对短的时间内在活塞周围形成有效的气密密封，这可以通过减少燃烧气体漏气和过量的油耗来帮助稳定发动机性能。另外，摩擦涂层可以在活塞环的整个寿命期间为活塞环提供出色的高温耐磨性、硬度以及低摩擦阻力。
图1示出了用于往复式内燃机(未示出)的气缸12中的活塞和连接杆组件10。组件10具有中心纵向轴线A并且包括活塞14和连接杆16。当布置在气缸12内时，燃烧室(未示出)通常位于活塞14的上表面的正上方，并且包含润滑油的曲轴箱(未示出)通常位于活塞14的下表面的下方。
活塞14具有包括上冠部18和下裙部20的主体。多个环形槽22形成在活塞14的冠部18的外周周围，并且尺寸设置成容纳活塞环，例如，上压缩环24、下压缩环26以及控油环28。活塞环24、26、28中的每个在其外周具有适于与气缸12的内壁接触并沿着气缸12的内壁滑动的气缸壁接合表面或者接触表面。在活塞14的裙部20中形成有销孔30，销孔30的尺寸设置成接纳用于将活塞14连接至连接杆16的小端的活塞销32。
图2和图3示出了用于诸如图1中所示的活塞14的往复式内燃机的活塞的活塞环110。活塞环110包括开口的环形主体112，该开口的环形主体112具有包括上表面114、下表面116、内周表面118以及在上表面114与下表面116之间延伸的外周表面120的外表面。在横截面中，图2和图3所示的活塞环110具有梯形形状，所述梯形形状具有锥形的上表面114和下表面116。然而，活塞环110可以展现出各种其他横截面形状，例如矩形。另外，如图2和图3所示，活塞环110的外周表面120的截面轮廓可以是大致笔直的，或者它可以在上表面114与下表面116之间遵循成角度的或拱形的路径。环形主体112可以由铸铁(例如，灰铸铁或球墨铸铁)、钢(例如，不锈钢)或任何其他合适的含铁金属或者合金制成。可以基于活塞环110的应用以及期望的性能特征，和/或基于任何上面的涂层的组成来选择环形主体112的材料。
扩散氮化层122可以形成在环形主体112的外表面处，尽管这不是必须的。氮化层122可以通过任何已知的氮化工艺形成。例如，可以通过将环形主体112加热到合适的温度并且使环形主体112暴露于含氮气体例如氨(NH3)来形成氮化层122。氮化层122可以从活塞环110的环形主体112的外表面以在10-170μm的范围内的深度延伸。可以基于活塞环110的尺寸来选择在主体112的外表面处的氮化层122的实际深度，并且还可以被选择为赋予活塞环110某些期望的机械和/或物理特性，包括高硬度、耐磨性、耐擦性能以及改善的疲劳寿命。或者，可以使环形主体112的外表面经受不同类型的热化学表面处理工艺，以在环形主体112的外表面处产生不同类型的扩散层。可以另外地或替代地执行其他的热处理工艺以增加环形主体112的选定表面部分的硬度，包括通过硬化、等温淬火硬化和/或感应表面硬化。在一些实例中，取决于环形主体112的成分，可以不执行附加的表面处理或硬化工艺。
现在参照图3，以一种形式，在可选的氮化层122上的环形主体112的外表面上形成中间层或中间涂层124和摩擦涂层126。摩擦涂层126可以在中间涂层124上和/或在已经存在于环形主体112的外表面上的一个或多个其他涂层之上的环形主体112的外表面上形成。或者，摩擦涂层126可以直接形成在环形主体112的外表面上。在这种情况下，省略中间涂层124。在环形主体112的外表面上直接形成摩擦涂层126可以包括或者可以不包括在氮化层122或一些其他类型的扩散层上形成摩擦涂层126。这将取决于在沉积摩擦涂层126之前，环形主体112是否已经经受过氮化工艺或一些其他类型的热化学表面处理或热处理工艺。
在图3中，中间涂层124和摩擦涂层126形成在环形主体112的外周表面120上。特别地，中间涂层124和摩擦涂层126形成在环形主体112的外周表面120上，使得中间涂层124和摩擦涂层126均从环形主体112的上表面114延伸到下表面116。在其他实施例中，中间涂层124和/或摩擦涂层126可以另外地或可替代地形成在环形主体112的一个或多个其他外表面上，包括上表面114、下表面116和/或主体112的内圆周表面118。另外，在图3中，中间涂层124布置在环形主体112的外周表面120上的氮化层122与摩擦涂层126之间。然而，在其他实施例中，可以省略中间涂层124，而摩擦涂层126可以直接形成在环形主体112的外周表面120上。
中间涂层124可以帮助改善摩擦涂层126对环形主体112的外表面的粘附，并且可以包括铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)以及钒(V)中的至少一种。在一种形式中，中间涂层124可以基本上由元素铬(Cr)组成。中间涂层124可以通过热喷涂工艺(例如，火焰喷涂工艺，高速氧燃料(HVOF)工艺或者等离子喷涂工艺)、物理气相沉积(PVD)工艺或通过任何其他合适的工艺形成在环形主体112的外表面上。在活塞环110的径向上测量的中间涂层124的合适厚度可以在1-10μm的范围内。然而，以其他形式，依据用于在环形主体112的外表面上形成中间涂层124的涂覆方法，中间涂层124的厚度可以略大于或小于该量。
摩擦涂层126可以具有双层结构，并且可以包括相对硬的基层128和相对多孔的顶层130。顶层130和基层128的物理和机械特性可以被构造成向活塞环110提供优异的短期和长期性能的组合。例如，顶层130的物理和机械特性可以被配置为在活塞环110的初始磨合阶段期间为活塞环110提供优异的性能，并且基层128可以被配置为保持活塞环110的高温耐磨性和低摩擦阻力一段延长的持续时间。更具体地，已经发现，通过相对于基层128的硬度和孔隙率(或密度)减小摩擦涂层126的顶层130的硬度并且增加孔隙率(或降低密度)，可以实现活塞环110的优异的短期和长期性能。相对于基层128的内应力，增加顶层130的孔隙率并且降低硬度可以转而减小顶层130的内部应力。
没有意在受理论的束缚，据信顶层130的相对较低的硬度可以通过在初始发动机运行期间允许活塞环110的接触表面的形状更容易地符合气缸12的内壁的形状来改善活塞环110的磨合性能，使得活塞环110可以在相对短的时间内容纳在气缸12的内壁中。同时，基层128的相对较高的硬度可以为活塞环110提供优异的长期耐磨性。
相对于基层128的孔隙率，摩擦涂层126的顶层130的增加的孔隙率(或降低的密度)可以为活塞环110的接触表面提供相对粗糙的轮廓。
更具体地，摩擦涂层126的顶层130的表面可具有显示出多个谷和脊或平台的轮廓。没有意在受理论的束缚，据信沿着顶层130的表面形成的谷可以允许活塞环110的接触表面保留大量的液体润滑剂(例如，油)，这可以在发动机运行期间有助于形成密封并且减少环110的接触表面与气缸12的内壁之间的摩擦。另外，在发动机初始运行期间，在活塞环110的接触表面上保留的润滑剂可以减少活塞环110的接触表面与气缸12的内壁之间的擦伤，从而进一步增强了活塞环110的磨合性能。同时，随着时间的过去，基层128的相对较高的密度可以为活塞环110提供相对平滑的接触表面，这可以为活塞环110提供出色的长期摩擦性能。
顶层130的维氏硬度与基层128的维氏硬度的比率可以在0.5：1至0.7：1的范围中。可以根据ASTM E-384使用在活塞环110的抛光横截面上的136°角锥金刚石压头来测量基层128和顶层130的维氏硬度或显微硬度。在一种形式中，顶层130的维氏硬度可以大于或等于800HV、900HV或者950HV；小于或等于1200HV、1100HV或者1050HV；或者在800-1200HV、900-1100HV或者950-1050HV之间，并且基层128的维氏硬度可以大于或等于1300HV、1400HV或者1450HV；小于或等于2500HV、1700HV、1600HV或者1550HV；或者在1300-2500HV、1300-1700HV、1400-1600HV或者1450-1550HV之间。顶层130的减小的内部应力可以帮助减少或消除摩擦涂层126的破裂。
在一种形式中，基层128和顶层130可以包括一种或多种第4、5和/或6族过渡金属的氮化物。例如，基层128和顶层130可以包括钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、铬(Cr)、钼(Mo)和/或钨(W)的氮化物。在一个特定示例中，基层128和顶层130均可以包括基于铬的氮化物(Cr-N)的材料，因为这样的材料可以为活塞环110提供优异的耐磨性以及活塞环110的接触表面120与气缸12的内壁之间的低摩擦阻力。基于材料的总重量，如本文所使用的，术语“基于铬的氮化物的材料”广泛地包括铬(Cr)和氮(N)是材料的主要成分的任何材料或合金。这可以包括具有大于50wt％的铬的氮化物的材料，以及具有小于50wt％的铬的氮化物的材料，只要铬(Cr)和氮(N)是材料的两个最大成分即可。在一种形式中，摩擦涂层126的总体组成可以包括40-70原子百分比的铬(Cr)和30-60原子百分比的氮(N)。在一种形式中，基于铬的氮化物的材料可以基本上由化学计量比的铬的氮化物(例如，CrN和/或Cr2 N)组成，并且可以包括CrN和Cr2 N的混合物。
基层128的化学组成可以与顶层130的化学组成相同或不同。例如，在一种形式中，顶层130可以包括基于铬的氮化物的材料，而基层128可以包括基于无定形碳或类金刚石碳(DLC)的材料。在这样的情况下，基层128可以具有在1800-2500HV的范围中的维氏硬度，并且顶层130的维氏硬度与基层128的维氏硬度的比率可以在0.2：l至0.6：1的范围中。
摩擦涂层126的顶层130与现有的通常由聚合物材料和/或干润滑剂制成并且被设计成易于磨损并易于从一个接触表面转移到另一个接触表面的牺牲性或耐磨涂层不同。这样，摩擦涂层126的顶层优选不包括任何聚合材料或干润滑剂。如本文所使用的，术语“聚合物材料”意味着包括或包含聚合物并且可以包括包含聚合物和非聚合物材料的组合的复合材料的任何材料。术语“聚合物”在广义上用于表示均聚物和杂聚物。均聚物由单一类型的聚合物制成，而杂聚物(也称为共聚物)由两种(或更多种)不同类型的单体制成。优选地在摩擦涂层126中不存在的聚合物材料的一些示例包括：缩醛；丙烯酸树脂；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；醇酸树脂；己二烯酞酸脂；环氧树脂；碳氟化合物；三聚氰胺甲醛；腈树脂；酚醛塑料；聚酰胺；聚酰胺-酰亚胺；聚芳基醚；聚碳酸酯；聚脂；聚酰亚胺；聚甲基戊烯；包括聚乙烯和聚丙烯的聚烯烃；聚苯醚；聚苯硫醚；聚氨酯；硅酮；苯乙烯；砜类；成块共聚物；尿素甲醛以及乙烯基。优选在摩擦涂层126中不存在的干润滑剂的一些示例包括：石墨，二硫化钼(MoS2)，二硫化钨(WS2)，硅酸盐，氟化物，粘土，氧化钛，氮化硼以及滑石。
沿活塞环110的径向测量，摩擦涂层126可以具有在大约5-100μm的范围中的总厚度。例如，摩擦涂层126的总厚度可以大于或者等于20μm，30μm或者40μm；小于或者等于100μm，80μm或者60μm；或者在20-100μm之间，30-80μm之间或者40-60μm之间。取决于使用的特定应用，摩擦涂层126的总厚度可以略大于或小于这些量。顶层130的厚度可以小于基层128的厚度，并且可以占摩擦涂层126的总厚度的大约5％至50％，或者占摩擦涂层126的总厚度的大约5％至30％。顶层130的厚度可以大于或者等于5μm，8μm或者11μm；小于或者等于25μm，20μm或者16μm；或者在5-25μm之间，8-20μm之间，或这11-16μm之间，并且基层128的厚度可以大于或者等于25μm，30μm或者32μm；小于或者等于50μm，40μm或者35μm；或者在25-50μm之间，30-40μm之间或者32-35μm之间。顶层130的厚度与基层128的厚度的比率可以根据活塞环110的应用以及发动机的运行参数而变化。
可以经由任何合适的沉积技术在环形主体112的外表面上形成摩擦涂层126。例如，摩擦涂层126可以通过物理气相沉积(PVD)(例如，阴极电弧或溅射)、化学气相沉积、真空沉积或者溅射沉积而形成在环形主体112的外表面上。
在一种形式中，可以通过阴极电弧物理气相沉积工艺在环形主体112的外表面上形成摩擦涂层126，该工艺包括：(i)将环形主体112定位在包括阳极和至少一种固体阴极源材料的沉积腔室中；(ii)抽空沉积腔室；(iii)将工艺气体引入到沉积腔室中；(iv)在阴极源材料的表面与阳极之间击出并保持电弧，使得阴极源材料的一部分汽化；以及(v)在环形主体112的外表面上沉积汽化后的阴极源材料。
固体阴极源材料可以包括纯元素铬(Cr)，并且工艺气体可以包括反应性含氮气体。在这样的情况下，汽化的铬可以在沉积腔室中与氮气反应以形成铬的氮化物的化合物，该铬的氮化物的化合物可以沉积在环形主体112的外表面上以形成摩擦涂层126。在沉积工艺期间，沉积腔室内的工作压力可以在0-0.1mbar的范围中，并且可以通过对惰性气体(例如，氩气(Ar))的流速和/或作为反应性含氮气体的成分引入到沉积腔室的氮气的流速的适当调节来控制。可以在沉积工艺期间向环形主体112施加0伏至-150伏范围中的负电压(称为偏置电压)，以帮助将带正电的离子从固体阴极源材料加速到环形主体112的外部表面。可以控制或调节沉积工艺的持续时间，以实现具有期望厚度的摩擦涂层126。在一种形式中，可以以每小时2-4μm的沉积速率并且持续6-24小时来执行沉积过程。
可以在沉积工艺的中途改变或修改各种工艺参数，以实现摩擦涂层126的双层结构。例如，可以在沉积工艺的第一阶段期间形成基层128。然后，在沉积基层128之后，可以改变某些工艺参数以启动沉积工艺的第二阶段，其中顶层130直接形成在基层128之上且遍布基层128。摩擦涂层126的顶层130和基层128的沉积可以通过在阴极电弧物理沉积过程中途修改某些工艺参数来进行，而不必购买额外的制造设备，并且也不必延长整个活塞环110制造工艺的持续时间。在一种形式中，可以以第一操作压力执行沉积工艺的第一阶段，并且可以以大于第一操作压力的第二操作压力下执行沉积工艺的第二阶段。例如，可以在沉积工艺期间调节和增加氮气的操作压力，以在基层128和顶层130二者中实现所需的特性。在一个具体示例中，在沉积工艺的第一阶段期间的操作压力可以为约0.03mbar，并且在沉积工艺的第二阶段期间的操作压力可以为约0.05mbar。在沉积工艺的第二阶段期间增加操作压力可以增加孔隙率，并且还可以降低沉积在环形主体112的外表面上的铬的氮化物材料的硬度。在沉积工艺的第二阶段期间增加操作压力可以导致来自阴极源材料的较大的液滴的喷射，该液滴可以遍布基层128而沉积在环形主体112的外表面上，并且可以修改在顶层130内形成的颗粒或晶粒的尺寸，提供了较低硬度和增加的孔隙率的组合特性。
可以在沉积工艺的第一阶段期间将偏压施加到环形主体112，但是在沉积工艺的第二阶段期间可以不将偏压施加到环形主体112。在一个具体示例中，在沉积工艺的第一阶段期间，可以将约50伏的偏压施加到环形主体112。在沉积工艺的第一阶段(不是第二阶段)期间将偏压施加到环形主体112可以导致形成相对较硬的基层128和相对较软的顶层130。在另一个示例中，可以在沉积工艺的第一阶段和第二阶段两者期间将偏压施加到环形主体112上。在这样的情况下，在沉积工艺的第一阶段期间施加到环形主体112的偏压可以不同于在沉积工艺的第二阶段期间施加到环形主体112的偏压。与基层128相比，在沉积工艺的第一阶段与第二阶段之间改变偏压可以允许形成具有较低硬度和增加的孔隙率的顶层130。
除了操作压力和偏压，在沉积工艺中途还可以修改或改变一个或多个其他工艺参数，以区分顶层130和基层128的化学和/或机械特性，由此改善活塞环110的短期和/或长期性能。可以在沉积期间修改的附加工艺参数的一些示例可以包括各种工艺参数中的任何一个，包括电弧电流、工艺温度以及工艺时间。
在摩擦涂层126的沉积之后，顶层130的表面可以具有展现出多个谷和峰的轮廓。在这样的情况下，活塞环110的外周表面可以被研磨并且被重叠，以将峰转变成相对平坦的脊或平台，这可以帮助防止在磨合阶段期间气缸12的内壁擦伤。
图4是活塞环110的一部分的示意性剖视图，放大500倍示出了在活塞环110的环形主体112的外周表面120上并且遍布外周表面而形成的扩散氮化层122、中间涂层124以及摩擦涂层126的形态。图4所示的摩擦涂层可以使用阴极电弧物理气相沉积工艺来制造。如图所示，由于在沉积工艺中逐步修改沉积工艺参数的结果，摩擦涂层126的微结构中的逐渐过渡可以发生在基层128与覆盖的顶层130之间。
将理解的是，前述内容是对本发明的一个或多个优选示例性实施例的描述。本发明不限于本文公开的具体实施例，而是仅由下面的权利要求书限定。此外，除了在上面明确限定了术语或短语的情况下，以上描述中包含的陈述涉及特定的实施例，并且将不被解释为对本发明的范围或权利要求书中使用的术语的定义的限制。各种其他实施例以及对所公开的实施例的各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得明白易懂。所有这样的其他实施例、改变以及修改意在落入所附权利要求书的范围内。
如本说明书和权利要求书中所使用的术语“例如”、“例如”、“例如”、“诸如”和“等”以及动词“包括”、“具有”、“包含”和它们的其他动词形式，当与一个或多个部件或其他项目的列表结合使用时，应分别解释为不限成员名额，这意味着该列表不应被视为排除其他、额外的部件或项目。除非在需要不同解释的上下文中使用其他术语，否则应使用其最广泛的合理含义来解释其他术语。

Claims (19)

1.一种活塞环，包括：
主体，其具有外周表面；以及
摩擦涂层，其覆盖在所述主体的所述外周表面上，所述摩擦涂层包括基层和覆盖在所述基层上的顶层，
其中，所述顶层包括基于过渡金属的氮化物的材料，所述过渡金属选自由钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)以及它们的组合组成的组，并且
其中，与所述基层的孔隙率和维氏硬度相比，所述顶层具有相对较高的孔隙率和相对较低的维氏硬度。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述顶层的维氏硬度与所述基层的维氏硬度的比率可以在0.2：1至0.7：1的范围中。
3.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述顶层具有在800-1200HV的范围中的维氏硬度，而所述基层具有在1300-2500HV的范围中的维氏硬度。
4.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述基层包括基于过渡金属的氮化物的材料，所述过渡金属选自由钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)、铌(Nb)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)以及它们的组合组成的组，并且其中，所述基层具有在1300-1700HV的范围中的维氏硬度。
5.根据权利要求4所述的活塞环，其中，所述顶层的维氏硬度与所述基层的维氏硬度的比率可以在0.5：1至0.7：1的范围中。
6.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述基层包括基于类金刚石碳(DLC)的材料，所述材料具有在1800-2500HV的范围中的维氏硬度。
7.根据权利要求6所述的活塞环，其中，所述顶层的维氏硬度与所述基层的维氏硬度的比率可以在0.2：1至0.6：1的范围中。
8.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述顶层包括基于铬的氮化物的材料。
9.根据权利要求8所述的活塞环，其中，所述基层包括基于铬的氮化物的材料。
10.根据权利要求9所述的活塞环，其中，所述基于铬的氮化物的材料包括40-70原子百分比的铬(Cr)和30-60原子百分比的氮(N)。
11.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述顶层具有在5-25μm的范围中的厚度且所述基层具有在5-25μm的范围中的厚度，并且其中，所述顶层的厚度小于所述基层的厚度。
12.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述摩擦涂层具有在5-100μm的范围中的厚度。
13.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述摩擦涂层不包括聚合物材料或者干润滑剂。
14.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述主体包括开口的环形主体。
15.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述摩擦涂层的顶层限定所述活塞环的气缸壁接合表面，并且具有显示出多个谷和脊的轮廓。
16.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述摩擦涂层的顶层允许在发动机运行的初始磨合阶段期间在所述活塞环与气缸的内壁之间建立有效的气密密封。
17.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述摩擦涂层的基层为所述活塞环提供长期高温耐磨性以及低摩擦阻力。
18.根据权利要求1所述的活塞环，包括：
氮化层，其形成在所述主体的外表面处；以及
中间涂层，其形成在所述主体的所述外周表面上、在所述氮化层与所述摩擦涂层之间。
19.一种制造活塞环的方法，包括：
提供具有外表面的开口的环形主体，所述开口的环形主体包括上表面、下表面、内周表面以及在所述上表面与所述下表面之间延伸的外周表面；
将所述开口的环形主体暴露于含氮的环境足够的时间以沿着所述主体的外表面制造氮化层；
在所述环形主体的外周表面上沉积铬中间层；以及
遍布所述铬中间层在所述环形主体的外周表面上沉积摩擦涂层，所述摩擦涂层包括基层和覆盖在所述基层上的顶层，
其中，所述摩擦涂层通过物理气相沉积工艺沉积在所述环形主体的外周表面上，并且
其中，在所述摩擦涂层的沉积的中途改变所述物理气相沉积工艺的至少一个工艺参数，使得相比于位于下面的基层所述摩擦涂层的顶层显示出相对较高的孔隙率和相对较低的维氏硬度。
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