CN101384841A

CN101384841A - 活塞环

Info

Publication number: CN101384841A
Application number: CNA2007800053562A
Authority: CN
Inventors: 仮屋智孝; 一杉英司; 靍田诚
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; STT Inc
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; STT Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP5113737B2; US8240676B2; DE112007000435B4; DE112007000435T5; CN101384841B; WO2007099968A1; JPWO2007099968A1; US20090058014A1

Abstract

一种能够有效防止铝粘结的活塞环。所述活塞环包括：活塞环主体；和形成在活塞环主体的上表面和下表面中的任一表面上或形成在两个表面上的表面涂层。该表面涂层包括：耐热树脂；和容纳在该耐热树脂中的铜粉。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及用于内燃机的活塞环并且特别地，涉及能够有效地防止铝粘结(沉积)到活塞环的现象的活塞环。

背景技术

通常来讲，压缩环和油环作为一套活塞环联接到执行往复运动的活塞。压缩环具有防止高压燃气从燃烧室侧流入曲轴室侧(吹扫(blow-by))的现象的功能。另一方面，油环的主要功能为抑制气缸的内壁上的过多润滑油从曲轴室侧进入到燃烧室侧而被消耗(烧机油(oil-up))。此外，作为常规的标准活塞环的组合，具有两个压缩环和一个油环的三环的组合已经为人所知，其中两个压缩环包括顶环和第二环。

近来，随着内燃机的重量的减轻和高的功率输出，对于活塞环的质量要求也在变高。常规地，作为提高用于内燃机的活塞环的耐用性的方法，在滑动表面上进行了比如氮化处理、离子镀膜、硬铬镀膜的耐磨表面处理。

在这些表面处理中，由于氮化处理显示出了特别优秀的耐磨特性，其已经引起人们的注意并已经被广泛使用来对在严酷工况下使用的活塞环进行表面处理。

但是，尽管在其上已经形成氮化处理层的活塞环具有良好的耐磨特性，但当它安装到铝合金活塞上时，它会增加活塞的环槽的磨损。此外，由于活塞的环槽的磨损，如图1(a)到(c)中示出的，会发生铝粘结，即:铝合金活塞10的槽11的下表面的铝粘结于活塞环1的下表面上(图1(c))。

图2(a)到(c)是示出由示踪型表面粗糙度测试仪检测出的活塞的环槽的上表面2和下表面3的表面粗糙度的变化曲线图。如图2中所示，活塞的环槽的上表面2和下表面3的表面状态从正常状态(图2(a))变化到粗糙的活塞槽状态(图2(b))至铝粘结状态(图2(c))。

注意在图2(a)到(c)的任一图中，水平轴表示活塞的位置，而垂直轴表示活塞槽的隆起。图中的(F)代表向前的方向，而(AT)代表止推方向，(R)代表向后的方向，并且(T)代表推力方向。

此外，图3(a)到(c)示出了铝粘结原理。活塞环1的下表面3和铝合金活塞10的槽11的下表面经由形成在各个表面上的氧化膜8(0.2μm或更小)彼此接触(图3(a))，然后接触部分上的氧化膜8的应力局部变高从而破坏氧化膜8，从而使活塞环的下表面的Fe和铝合金活塞10的槽11的下表面的Al结合在一起(图3(b))，并且铝合金20沉积在活塞环1的下表面上。注意在图4中示出铝粘结部分的放大视图。在图4中，参考标记20指粘结的铝，并且参考标记21指Al和Fe的结合部分。

如上所描述的，当由于在活塞的槽的一定部分上随着活塞环的上下运动发生粘结现象而导致局部磨损(也称为粗糙的活塞槽)时，内燃机的密封特性由于吹扫气体的吹扫而恶化，引起输出功率降低。这种现象在短的时期内发生在活塞的环槽的下侧中，并极大地影响到内燃机的耐用性。因此，目前已经提出了许多抑制活塞槽的磨损的对策。

例如，为防止活塞和活塞环之间的直接接触，作为抑制活塞槽磨损的对策，已经对活塞进行了阳极氧化涂覆处理、涂覆处理、或基体韧化处理(活塞内部)，同时对活塞环进行磷酸盐涂覆处理或涂覆处理。或者，如图5(a)和5(b)中所示，已经在活塞10和活塞环1的表面上进行了树脂涂覆处理(例如，Defric(由Kawamura研究所生产)。

此外，为解决上述问题，在活塞环的上下表面或在下表面上形成氮化层或镀铬层组成的耐磨处理层，并且在耐磨处理层上，已经形成包括固体润滑剂的聚苯并咪唑(polybenzimidazole)树脂膜(参考专利文献1)。

另外，已经由本发明的申请人之外的一些人开发出其表面涂有包括固体润滑剂的耐热树脂的活塞环(例如，参考专利文献2和3)。

专利文献1:日本公开未审查专利申请No.07-063266

专利文献2:日本公开未审查专利申请No.10-246149

专利文献3:日本公开未审查专利申请No.11-246823

本发明解决的问题

但是，尽管上述常规的抑制活塞槽的对策具有在活塞使用的早期阶段中防止铝粘结的效果，但并未充分考虑它们的中期和长期寿命。因此，需要进一步提高耐用性。

更具体地讲，例如，在专利文献1中，公开了使用聚苯并咪唑树脂和固体润滑剂(C或MoS₂)的表面涂层。但是，聚苯并咪唑树脂当处于液体树脂状态用以形成膜时容易氧化并且还随着时间流逝而性能变差。因此，必须仔细使用它。此外，在一些实例中，难以长时间稳定质量。

而且，在专利文献2中，已经公开了使用聚酰胺酰亚胺(polyamide-imide)树脂或聚酰亚胺(polyamide)树脂和固体润滑剂(石墨、MoS₂、WS₂、或聚四氟乙烯)的表面涂层。但是，这样的表面涂层并不能充分防止铝粘结，并且另外用于涂覆的成本高也成为一个问题。

另外，在专利文献3中，已经公开了使用聚酰胺酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂及作为固体润滑剂使用MoS₂和氧化锑的表面涂层。但是，这样组合的表面涂层也不能充分防止铝粘结。此外，由于氧化锑对环境有害，其并不优选地使用。

本发明的提出考虑到了这样的状况，并且目的在于提供能够有效地防止铝粘结于活塞环的活塞环。

发明内容

解决问题的措施

为解决上述问题，本发明提出一种活塞环，其包括:活塞环主体；和在活塞环主体的上表面或下表面上的或者在活塞环的上下表面上的表面涂层膜，其中表面涂层膜包括耐热树脂和在该耐热树脂中容纳的铜基粉末，并且整个表面涂层膜中的铜基粉末的质量百分比在20％和80％之间。

此外，在活塞环中，铜基粉末可以选自纯铜、氧化铜或铜合金。

另外，在活塞环中，铜基粉末具有鳞片(scale)状粉末并且其平均颗粒直径可以在8μm和12μm之间。

而且，在活塞环中，铜基粉末的比表面积可以在0.6mm²/g到0.9mm²/g之间。

此外，在活塞环中，铜基粉末所占的表面涂层膜的表面上的面积的比率可在6％和74％之间。

此外，在活塞环中，耐热树脂可能是聚酰胺酰亚胺树脂。

此外，对于活塞环，在其中形成表面涂层膜的活塞环主体的表面上，可以进行化学转化处理。

此外，在活塞环中，耐热树脂可以包括固体润滑剂，固体润滑剂包括从硫化钼、硫化钨和石墨中选出的一种，并且润滑剂在整个表面涂层膜中的质量百分比可以是在1％和10％之间。

发明效果

依据本发明，因为在活塞环的上表面或者下表面，或者在两个表面上，形成包括耐热树脂和铜基粉末的表面涂层膜，可以防止铝合金活塞的环槽的一部分分离并粘结于活塞环。

在上述用于活塞环槽的耐磨措施中，换句话说，为防止铝粘结(参考相关技术的描述)，包括固体润滑剂的表面涂层膜形成在活塞环主体的表面上，用于为其提供润滑的目的。但是，本发明特性在于形成包括铜基粉末的表面涂层膜，而不是固体润滑剂。

常规地，作为尽可能地减少活塞环槽的磨损的方法，已经着力于提高活塞环表面的润滑。这是因为当提高活塞环表面上的润滑时，活塞环作用于活塞环槽的冲击力能够被尽量多地降低并且因此能够防止活塞环槽的磨损。

但是，尽管该方法在初期阶段由于存在有助于充分润滑的表面涂层膜而不存在问题，但经过长的时间后，表面涂层膜本身很有可能会剥离，而且在磨损或者剥离后，润滑将不再存在，由此暴露的活塞环会磨损活塞环槽。

本申请的申请人关注这一点和解决这个问题，本申请人的结论是:通过构成表面涂层膜的耐热树脂确保润滑，并且同时在表面涂层膜中分散地混合铜基粉末来使得由铜基粉末给表面涂层膜添加耐磨特性，从而在较长的时间内保持润滑。换句话说，本发明的思路不同于常规发明。铜基粉末在本发明中的主要作用在于添加耐热和耐磨特性以保护表面涂层膜。

依据如上所述的本发明，因为它可以通过构成表面涂层膜的耐热树脂在活塞环表面上增加润滑，并且通过铜基粉末为形成在活塞环上的表面涂层膜添加耐磨特性，所以它可以在长的时期内保持由耐热树脂提供的润滑。

附图说明

图1是铝粘结的说明性视图，图1(a)是活塞的透视图，图1(b)是活塞的环槽和活塞环的放大透视图，图1(c)是示出铝粘结于活塞环的放大透视图。

图2(a)到2(c)示出了活塞的环槽的上下表面的状态改变。

图3(a)到3(c)是示出了铝粘结的原理的截面视图。

图4是发生铝粘结的部分的放大视图。

图5示出了是常规树脂涂覆处理的截面视图。

图6是本发明的活塞环的截面视图。

图7(a)是图6中示出的活塞环的上表面附近的放大截面视图，并且7(b)是图6中示出的活塞环的放大正视图。

图8是实例24的活塞环的截面的放大照片。

图9是实例6的活塞环的表面的放大照片。

图10示出高温阀座磨损测试装置。

参考标记:

1、60—活塞环；2、—活塞槽的上表面；3、—活塞槽的下表面；10、—活塞；61、—活塞环主体；62、—表面涂层膜；63、—耐热树脂；64、—铜基粉末

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本发明的活塞环。

图6是本发明的活塞环的横截面视图。

图7(a)是图6中示出的活塞环的上表面附近的放大截面视图，并且图7(b)是图6中示出的活塞环的放大正视图。

如图6中所示，本发明的活塞环60包括活塞环主体61和形成在活塞环主体61的上表面或下表面或两个表面(在图6中，为两个表面)上的表面涂层膜62。

作为用于本发明的活塞环主体61的材料，不限制使用任何材料。例如，作为它的材料，可主要采用钢，而在不锈钢中，可使用SUS40、SUS410、SUS304等等，或者8Cr钢、10Cr钢、SWOSC-V、SWRH等等。此外，关于活塞环的类型，活塞环主体61能够应用于作为所谓的压缩环的顶环和也是压缩环的第二环，并且此外，能够应用于油环。

如图6和7中示出的，在本发明的活塞环61的表面上，形成了包括耐热树脂63和容纳于耐热树脂63中的铜基粉末64的表面涂层膜。

耐热树脂63的主要目的在于为活塞环的表面提供润滑，而铜基粉末为在其中容纳有铜基粉末64的表面涂层膜62提供耐磨特性，以长时间保持由耐热树脂提供的润滑。

关于构成本发明的表面涂层膜62的耐热树脂63，可使用任何能够耐受使用活塞环的环境(温度)、具有润滑性并能够保持和固定下面所述的铜基粉末的树脂。具体来讲，如聚酰胺酰亚胺(PAI)树脂或聚酰亚胺树脂(PI)。

同时，关于构成本发明的表面涂层膜的铜基粉末64，除了纯铜粉末之外，可使用比如氧化铜或铜合金(例如，黄铜合金)等各种类型的铜基粉末。但是，在本发明中，铜基粉末的硬度不应该太高，因为铜基粉末要起到防止耐热树脂的磨损的作用，同时应避免它冲击作为相配材料的活塞环。出于这样的考虑，优选使用纯铜或氧化铜作为铜基粉末的材料。

铜基粉末64的形状并不具体地局限于本发明并且它可以形成为固定的形状、多边形、或非晶体。但是，如在对于铜基粉末材料的描述中提到的，必须避免铜基粉末对于作为相配材料的活塞环槽的冲击，出于这样的考虑，多边形形状并不是优选的，而如在图7中示出的，鳞片状形状是优选的。通过采用鳞片状形状用于铜基粉末64并沿图7中示出的表面涂层膜的厚度方向布置铜基粉末64，可以防止损坏活塞环槽。

当铜基粉末64的形状被设置为鳞片状形状时，对它的尺寸并没有具体的限定。但是，优选的是它的平均直径在8到12μm之间。当平均直径小于8μm时，最小化铜基粉末的成本变高，而当平均直径大于12μm时，有可能冲击到作为相配材料的活塞环槽。注意形成鳞片状的铜基粉末的直径是在图7(b)中的参考代码r表示的长度，意为鳞片的长轴的长度。

此外，优选的是当铜基粉末64设置成为鳞片状时，铜基粉末的比表面积(specific surafce area)在0.6mm²/g和0.9mm²/g之间。当比表面积小于0.6mm²/g时，耐热树脂63和铜基粉末64之间的粘结可以变差(换句话说，可以存在铜基粉末未能由耐热树脂固定的情况)，而当比表面积大于0.9mm²/g时，铜基粉末变得太大而有可能冲击到作为相配材料的活塞环槽。注意本发明中的比表面积是指每1克铜基粉末的表面面积并且是通过空气透过法测得的值。

尽管构成本发明的活塞环的表面涂层膜62的耐热树脂63中的铜基粉末64的含量的比率能够合适地设置为平衡的比率，通过平衡的比率使得耐热树脂63能够充分地显示出它的润滑特性并且铜基粉末64能够充分地显示出它的耐磨特性，具体地讲，优选的是设置整个表面涂层膜62中的铜基粉末64的质量百分比在20％和80％之间，并且特别优选地设置质量比率为50％。当铜基粉末的质量百分比小于20％时，不能有效地防止由于摩擦所引起的表面涂层膜的减少和消耗，并且另外不能充分防止铝粘结。在另一方面，当铜基粉末的质量百分比超过80％时，表面涂层膜整体的弹性降低并且同时，难以通过耐热树脂固定铜基粉末并且可以导致铜基粉末减少。

优选的，在耐热树脂63中含有包括从二硫化钼、二硫化钨和石墨中选出的一种的固体润滑剂。因此，通过添加少量的固体润滑剂，可以使耐热树脂在使用初期更耐受铝粘结。作为具体的含量，优选的是设置整个表面涂层膜62中的固体润滑剂的质量含量在1％和10％之间(在本实例中，如果铜基粉末64的质量含量为20％和80％之间，剩余部分用于耐热树脂)。通过在活塞环的上下表面上形成包括固体润滑剂和铜基粉末的表面涂层膜，表面涂层膜在使用的初期与由铝材料制成的活塞更好地配合，而又提高了膜的耐磨特性，由此防止了铝粘结并且能够提供具有优良耐用性的活塞环。尽管在图7中未示出，优先地，固体润滑剂均匀分散在耐热树脂63中。

优选地，铜基粉末64在本发明中的构成活塞环的表面涂层膜62的表面所占的面积比率(参考图7(b))在6％和74％之间。通过限定面积比率在此范围内，耐热树脂63和铜基粉末64之间获得良好平衡，并且它们两者的效果能够充分实现。

用于形成本发明的表面涂层膜62的方法并无具体限定，并且例如，铜基粉末64可以包括在聚酰胺酰亚胺树脂中并且混合物可以通过喷射涂覆、浸渍涂覆、静电涂覆等应用在活塞环主体61的表面上。此外，依据需要，表面涂层膜62可以在比如热烘烤的处理之后进行。

因此在本发明中表面涂层膜的厚度是例如在大约3μm和20μm之间。

此外，在形成表面涂层膜62之前的步骤中，在将要形成表面涂层膜62的活塞环主体61的表面上，可以进行化学转换处理，作为预处理。作为化学转换处理，例如，磷化处理，更具体地，可采用磷酸锰处理。通过进行磷化处理，可以提高活塞环主体61的表面与表面涂层膜62之间的粘结。

实例:

通过使用实例将更具体地描述本发明的活塞环。

(实例1到46，比较实例1到86)

活塞环主体的等效构件通过使用下面两种类型的材料制备。

√ 10Cr材料—C:质量比率0.5％，Si:质量比率0.2％，Mn:质量比率0.3％，P:质量比率0.02％，S:质量比率0.01％，Cr:质量比率10.2％，剩余的是Fe和不可避免的杂质(实例1到23，比较实例1到38)。

√ 等效于JIS SWOSC-V的材料—C:质量比率0.55％，Si:质量比率1.4％，Mn:质量比率0.6％，P:质量比率0.02％，S:质量比率0.02％，Cr:质量比率0.65％，Cu:质量比率0.08％，剩余的是Fe和不可避免的杂质(实例24到46，比较实例39到86)。

在由这两种材料制成的构件的上表面和下表面上，使用聚酰胺酰亚胺作为耐热树脂及使用鳞片状铜粉(纯度99.5％)作为铜基粉末，已经通过喷射方法形成具有10μm厚度的表面涂层膜。注意这里所使用的鳞片状铜基粉末的平均颗粒直径为9μm，并且铜基粉末添加到整个表面涂层膜的添加量在表格1和2中示出。此外，在实例中，二硫化钼、二硫化钨、或石墨被添加作为固体润滑剂并且它的添加量示出在表格1和2中。另外，在使用等效于JISSWOSC-V的材料作为构件的实例中，通过使用磷酸猛在将要形成表面涂层膜的表面上进行化学转化处理(chemical conversion treatment)(参考表格2)。这样形成的每个活塞环试样称为实例1到46和比较实例1到76(参考表格1和2)。而且，对于比较实例77到86，等效于JIS SWOSC-V的材料被用作构件，并且在它的上表面和下表面上形成5μm的厚度的包括聚酰胺酰亚胺树脂的表面涂层膜，聚酰胺酰亚胺树脂含有常规使用的MoS₂、WS₂、或石墨。这里，所添加的固体润滑剂的平均颗粒直径在1μm和7μm之间。

给出了实例24的活塞环的试样的横截面和表面的放大照片。结果示出在图8和图9中。

在图8中，复合树脂层是在图6和图7中示出的表面涂层膜62。在图8中，PAI表示包括聚酰胺酰亚胺树脂的耐热树脂层63，并且在图8中，Cu表示铜基粉末64。

此外，对于实例1到46和比较实例1到86，进行滑动冲击测试(attack testwith sliding)。

这项测试通过使用图10中示出的阀座磨损测试装置101进行。测试条件:冲程:4mm，循环速度:500次/min，环旋转数:3rpm，测试时间:7小时，活塞温度:约250℃，活塞材料:铝合金(AC8A)。

注意滑动冲击测试通过如下方式进行:固定活塞材料103使得它不能够沿轴向方向朝向测试装置101移动，同心地安装活塞环试样102到活塞材料103上并使设置在活塞环试样102的内表面侧上的铸铁圆棒沿轴向往复，并且它是这样的测试方法:活塞环试样102旋转，并冲击活塞材料103。测试装置101具有加热器104，用于加热测试对象并能够产生发动机中的高温燃烧状态。因此，能够仿真活塞材料中的状态变化。

通过这种测试，评估了活塞侧和活塞环侧上的磨损量。注意磨损量是通过表面粗糙度检测仪测量不匀率而计算得出，这里设定比较实例5的磨损量为100。

评估结果示出在表格1和2中。

通过对实例1到46和作为常规技术的比较实例77到86之间的比较清楚得知，在本发明的实例的活塞环试样中未发现铝粘结。此外，通过对实例1到10和比较实例1到4之间的比较清楚得知，当铜基粉末的添加量为15％时，发生铝粘结。而且，当铜基粉末的添加量为90％时，无铝粘结，但由于铜基粉末的影响变大，当与作为常规技术的比较实例5比较时，活塞上的磨损量并不是优选的。根据这些结果，可以明白20％到80％的添加量对于铜基粉末是优选的。

Claims

1.一种活塞环，包括:活塞环主体；和在活塞环主体的上表面或下表面上或在活塞环主体的上表面和下表面两者上形成的表面涂层膜，其中该表面涂层膜包括耐热树脂和容纳于该耐热树脂中的铜基粉末，并且所述铜基粉末在整个表面涂层膜中的质量百分比在20％到80％之间。

2.如权利要求1所述的活塞环，其中所述铜基粉末选自纯铜、氧化铜、或铜合金。

3.如权利要求1或2所述的活塞环，其中所述铜基粉末具有鳞片状粉末，平均颗粒直径在8μm到12μm之间。

4.如权利要求3所述的活塞环，其中所述铜基粉末具有在0.6mm²/g到0.9mm²/g之间的比表面积。

5.如权利要求1到4中的任一项所述的活塞环，其中所述铜基粉末在所述表面涂层膜的表面上所占的面积比率在6％到74％之间。

6.如权利要求1到5中的任一项所述的活塞环，其中所述耐热树脂为聚酰胺酰亚胺树脂。

7.如权利要求1到6中的任一项所述的活塞环，其中在形成有所述表面涂层膜的所述活塞环主体的表面上进行化学转化处理。

8.如权利要求1到7中的任一项所述的活塞环，其中耐热树脂包括固体润滑剂，该固体润滑剂包括从二硫化钼、二硫化钨和石墨中选出的一种，并且所述润滑剂在整个表面涂层膜中的质量百分比在2％到10％之间。