CN101253353A - 内燃机用活塞环制造方法以及此方法制造的活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机用活塞环(10)制造方法，包含以下步骤：加工一条金属带(20)，使其包含至少一个斜面(15，16)，而至少成为待生产的活塞环(10)环侧面的一部分；由此金属带(20)加工出活塞环(10)，活塞环外表面由一个内环面，一个外环面(11，12)，以及一个上侧面和一个下侧面构成。对活塞环(10)进行表面硬化处理。此外，本发明提供一种内燃机用活塞环(10)，其外表面由一个内环面和一个外环面(11，12)，以及一个上侧面和一个下侧面构成，其特征在于，其外表面由一个均匀厚度硬化层(21)覆盖。

Description

内燃机用活塞环制造方法及以此方法制造的活塞环
技术领域
本发明涉及一种内燃机用活塞环制造方法及以此方法制造的活塞环。
背景技术
梯形截面的活塞环，其外环面宽度大于内环面宽度，也被称为梯形环。一活塞环，其一个环侧面平行于其外环面和内环面，而另一个侧面以一夹角与外环面内环面相交，则称其为直角梯形环。一活塞环若其两个侧面都以一夹角与外环面内环面相交，则称其为梯形环。此类活塞环被优选为柴油机中的顶部活塞环(Topring)，对应的活塞环环槽也制作为梯形截面造型。柴油机会遗留坚硬的含碳燃烧残渣在顶部活塞环环槽里，其与活塞环咬合并由此失效。通过顶部活塞环的梯形截面造型和相对应的环槽，使它们不咬合在一起，并因此保证活塞环的密封功能。
在内燃机用矩形截面的活塞环制造中，众所周知，可在整个活塞环表面通过渗氮工艺产生一层渗氮层，进行表面硬化，并由此获得更高的抗磨损性。活塞环工作面的抗磨损性可通过进一步镀覆抗磨损层继续提高。例如在德国专利号为DE35 06 746 C2的申请中公开了一种矩形截面的活塞环，其环体全部表面都有一层渗氮层覆盖，其渗氮层由一层扩散层及其上一层化合物层组成。在活塞将来的工作面上，这层化合物层需要被去除，再镀覆上一层耐磨层。
欧洲专利申请号为EP 0 605 223 A1的发明中描述了一种活塞环，其外表面通过气体渗氮进行硬化处理。在活塞将来的工作面上在气体渗氮硬化层上还镀覆上了一层金属渗氮层作为耐磨层。在德国专利号为DE102 07 148 A1的申请中也描述了一种活塞环，其由一层扩散层及一层化合物层组成的渗氮层覆盖，它将来工作面上的扩散层被去除，然后加工上一层硬陶瓷镀覆层。
在钢制直角梯形环和梯形环生产过程中，惯例上都是由一条矩形截面的钢带开始，首先由它制造出矩形截面的活塞环。之后经过机械加工及硬化处理，尤其指渗氮处理。在去除掉渗氮处理过程中出现的扩散层上的化合物层，并再进一步精加工后，通常要在外环面镀覆上一层耐磨层。最后一步再将环侧面按一定角度磨削掉一部分，使活塞环拥有一个梯形截面。在这一步环上的硬化层例如渗氮层，根据不同磨角，在活塞环侧面上部分或全部又被去除了。
以此步骤生产的直角梯形环或梯形环在内燃机运转时在环侧面会受到更加严重的磨损侵蚀(所谓的“剥蚀(Fretting)“)。这里主要是因为燃烧额外产生碳化物。特别要注意此处要经受200到220大气压的很高的点火压强。磨损会在活塞环工作寿命内不断增长直到活塞环最终损坏。此外还显示，磨损是与位置相关的，也就是说环侧面周边上磨损严重程度并不相同。尤其在渗氮层被去除的部分上，磨损更常出现。
发明内容
本发明的任务是提供一种活塞环制造方法及以此方法制造的活塞环，通过它可防止直角梯形环或梯形环在内燃机持续运转中出现的活塞环侧面上的磨损。
该任务是通过具有权利要求1的特征部分的特征的下述加工过程得到解决：
-加工一条金属带，使其包含至少一个斜面，其在要生产的活塞环上成为环侧面的一部分；
-由此金属带加工出活塞环，活塞环外表面由一个内环面，一个外环面，以及一个上侧面和一个下侧面构成。
-对活塞环进行表面硬化处理。
根据本发明制造的活塞环，活塞环外表面由一个内环面，一个外环面，以及一个上侧面和一个下侧面构成，其特征为全部外表面有同样厚度的硬化层。
根据本发明的制造方法，直角梯形环或梯形环拥有抗磨损加固的环侧面，其在内燃机运转中，相对现有方式生产的活塞环，只受明显减轻的磨损侵蚀(所谓剥蚀)。通过金属带梯形截面的制造提前于活塞环的制造，特别是提前于表面硬化处理，使加工出一个同硬度同厚度的硬化层覆盖于直角梯形环或梯形环侧面成为可能。这样就可让表面有同等大小硬度值，让环侧面周长上从根本上不会再有明显可损害活塞环功能的磨损侵蚀出现。同时也有效地阻止了活塞环和活塞之间微小的熔接效应。
其它有优点的实施例由从属权利要求得出。作为根据本发明思路制造活塞环的原料，例如可采用一条矩形截面的钢带。此钢带特别为一马氏体钢带，其铬含量(质量分数)为12％到17％。当选择渗氮工艺作为表面硬化处理时，钢带表面会产生一个渗氮层，其中包含坚硬的渗氮铬合金成分。
根据发明，将金属带通过例如切削或非切削方法加工成梯形截面形状，如通过磨削加工将一矩形截面金属带的上侧宽面、和/或下侧宽面磨削成斜面。被磨削的宽面在后面就成为制造的活塞环的环侧面。如果在斜面侧保留一部分彼此平行的侧面会有益处。彼此平行侧面的宽度例如最多至钢带宽度的四分之一。彼此平行的侧面在活塞环后续加工流程中，可作为直角梯形环或梯形环堆叠时所需的堆叠面。
用于发明中的活塞环制造，可采用一连续长钢带，也可采用一段截短钢带，并加工使其至少包含一侧斜面。在采用连续长钢带时，加工过程可以成为完全连续的流程。以现有方法即可使梯形截面钢带被加工成一个活塞环，如果是采用了连续长钢带，则需要先截短为所需长度。然后对工件进行下一步加工，尤其是机械加工例如表面加工和/或热加工。
对活塞环表面进行硬化处理，特别可用现有技术采用渗氮或渗氮铬处理。然后再对活塞环下侧面上镀覆额外一层防磨损层，特别可为一层铬层或渗氮铬层。因为根据经验，在活塞环下侧面上磨损格外严重。
进一步可在活塞环外环面或工作面上镀覆额外一层防磨损层或耐磨层，特别可为渗氮铬层，或是一层硬陶瓷层，以提高直角梯形环或梯形环的工作寿命。在镀覆防磨损层或耐磨层时，可将多个直角梯形环或梯形环在轴向预应力压力下堆叠成一组。这样可以避免活塞环侧面在涂层过程中被涂上不期望的抗磨损层。
附图说明
下面附图示出了一种本发明的实施例。
图1示出了目前现有的梯形环制造方法的示意图；
图2示出了根据本发明方法制造出来的梯形环的示意图；
图3示出了根据本发明思想的梯形环制造方法的示意图；
图4示出了梯形环分别以现有方法制造与根据本发明方法制造，外环面上各个位置磨损侵蚀情况的分布；
具体实施方式
图1示出了现有技术中梯形环的活塞环30制造方法；当然下面陈述的操作方法在相称的情况下也适用于制造梯形环。首先由一个钢带20以现有方法加工成一个活塞环30。在第一步机械加工过程-对环侧面进行平行打磨之后，进行表面硬化处理，通常是渗氮处理。由此活塞环30外表面为一个硬化层21，在此情况下为一个渗氮层，其由一层扩散层与一层化合物层组成。在下一步机械加工过程，尤其是去除化合物层处理之后，环外侧表面32要敷设一抗磨损防护层(图中未示出)。为敷设抗磨损防护层，活塞环30首先要在轴向预应力下堆叠成一组。这样可避免环侧面也被敷设上抗磨损防护层，因为这在规则上是不期望的。最后活塞环30被加工，让它按需要的式样成为直角梯形环或梯形环。这一步活塞环侧面的一部分需按一定角度磨去，生成上侧和下侧的斜侧面35、36，与上侧和下侧的平行环侧面33、34相邻。活塞环30的外环面32和内环面31不变。通过如此加工，在上侧面和下侧面的表面硬化层21的至少一部分会被去除。
图2示出了根据本发明方法制造出来的梯形环10的示意图；生产方法如图3所示。下面陈述的方法在相应的情况下同样也适用于制造直角梯形环。原料例如同图1介绍，为一马氏体钢带20(铬含量(质量分数)为12％到17％)，其截面为矩形。此钢带20可为一连续长钢带，或为一段截断钢带，应在第一步加工过程中即造型为梯形截面。此处合用的加工方法为对钢带20上侧面和下侧面的磨削加工。亦或是对钢带进行侧面冷轧加工，造型成为梯形截面。在实施例中钢带被加工出两侧梯形环侧斜面15、16，与较宽窄边12、较窄窄边11，以及彼此平行的侧面13、14，侧面13、14将梯形环侧斜面15、16与较宽窄边12两侧连接。彼此平行的侧面13、14在本实施例中，可保证活塞环的可堆叠性，在几步后续加工流程中对活塞环的稳固放置会很有好处。它们的宽度例如最多至四分之一，最好是少于钢带宽度的四分之一。
现在下一步是将如此加工后的钢带20在现有技术下通过合适的设备使其被弯曲为一个活塞环10并有可能需要截断，让钢带较宽窄边构成活塞环外环面12，较窄窄边构成内环面11。面13、15构成活塞环上侧面，面14、16构成下侧面。
活塞环10在完成上述加工流程之后，就已经有了梯形截面。
由上述冷加工成型产生的活塞环材料内部的应力在后续的热加工工艺中去除。进一步的活塞环10加工及表面处理都是在现有工艺下进行。经过第一步机械加工(磨削、磨光、清洁等)之后，活塞环10需进行表面硬化处理。首先活塞环10要经过现有技术的气体渗氮处理对全部表面进行渗氮，获得全面覆盖的渗氮层21，其在实施例中包括扩散层与化合物层，扩散层中的渗氮硬化深度可达200微米。化合物层的维氏硬度例如为700HV0.05，这样硬度的层厚度可为5至10微米。当钢带20含铬的时候，渗氮处理可形成坚硬的渗氮铬合金表面。
在渗氮处理之后，活塞环10表面即外环面和环侧面，需要通过例如打磨去除其化合物层。现在原理上就已经完成了我们需要的活塞环10，其在实施例中为一个梯形环。
可选的，为对抗磨损性能做进一步改进，可通过众知工艺的PVD处理(物理气相沉积工艺)将铬层或渗氮铬层沉积在活塞环下侧面14、16上，因为现有工艺生产的梯形活塞环尤其在此处显示了最严重的磨损侵蚀。
在活塞环外环面12上，其作为活塞环10将来的工作面，需要再镀覆上一层防磨损层或者是耐磨层。例如通过PVD处理，且避免镀覆在活塞环上下面13、14、15、16上，仅在外环面12上通过众知工艺镀覆一层渗氮铬层。在实施例中，其渗氮铬层厚度为10至40微米，硬度为维氏硬度1200HV0.05至1800HV0.05。
也可采用其他方法，如在外环面12上电镀一层硬铬防护层，或是热喷涂一层防护层，或是镀覆上一层磷酸锰防护层，以抗磨损。
在活塞环外环面12以及将来活塞环10的工作面的涂层，可在多个活塞环10堆叠成一组并加以轴向预应力压力之后进行。尤其是这样可以保障，其环侧面13、14、15、16在涂层过程中不会被涂上抗磨损层或是耐磨层。
图4示出了梯形环10分别以现有方法制造与根据本发明方法制造，其外环面上各个位置在经过一台6缸柴油发动机长达100小时满负荷运转之后的磨损侵蚀情况的分布。图表中清晰指出，根据本发明方法制造的活塞环10对比以现有方法制造在梯形侧面上显示了明显少得多的磨损侵蚀。

Claims (17)

1.一种内燃机用活塞环(10)制造方法，包含以下步骤：
-加工一条金属带(20)，使其包含至少一个斜面(15，16)，而至少成为待生产的活塞环(10)环侧面的一部分；
-由此金属带(20)加工出活塞环(10)，活塞环外表面由一个内环面，一个外环面(11，12)，以及一个上侧面和一个下侧面构成。
-对活塞环(10)进行表面硬化处理。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，金属带采用一条矩形截面的钢带(20)。
3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，钢带为一马氏体钢带，其铬含量(质量分数)为12％到17％。
4.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，在其上通过切削或非切削方法加工出至少一个斜面。
5.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，在其上加工出两个斜面，其至少成为被加工活塞环两侧面的一部分。
6.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，加工一连续长钢带或一段截短钢带，使其至少包含一侧斜面。
7.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，可加工被加工金属带成一活塞环，如可能则还需进行截短为所需长度以及其他热加工和/或机械加工。
8.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，可通过渗氮处理或渗氮铬处理进行活塞环外表面的表面硬化处理。
9.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，活塞环下侧面的面(14、16)在表面硬化处理后上再镀覆一层抗磨损层，最好是一层铬层或渗氮铬层。
10.如上述任一权利要求所述的制造方法，其特征在于，在活塞环外环面(12)上或活塞环将来的工作面上，镀覆上一层防磨损层或耐磨层，最好是一层渗氮铬层或一层磷酸锰防护层。
11.如上述权利要求9或10所述的制造方法，其特征在于，为镀覆防磨损层或耐磨层，可将多个活塞环10堆叠成一组并加以轴向预应力压力之后进行。
12.内燃机用活塞环，其外表面由一个内环面和一个外环面(11，12)，以及一个上侧面和一个下侧面构成，其特征在于，其外表面由一个均匀厚度硬化层(21)覆盖。
13.如上述权利要求12所述的活塞环，其特征在于，其上侧面和下侧面各包含一个彼此平行的侧面(13、14)与一个侧斜面(15、16)。
14.如上述权利要求13所述的活塞环，其特征在于，彼此平行的侧面(13、14)宽度最多为活塞环(10)宽度的四分之一。
15.如上述任一权利要求12至14所述的活塞环，其特征在于，在活塞环上侧面和/或下侧面的面(14、16)上在硬化层(21)上再镀覆一层抗磨损层，最好是一层渗氮铬层。
16.如上述任一权利要求12至15所述的活塞环，其特征在于，在活塞环(10)外环面和/或内环面(12)上在硬化层(21)上再镀覆一层抗磨损层或耐磨层，最好是一层渗氮铬层或一层磷酸锰层。
17.内燃机用活塞环(10)，其由上述任一权利要求1至11所述的制造方法制造。
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