CN102713373A - 活塞环以及制造活塞环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活塞环，其特别是用于在内燃机或压缩机的活塞槽中使用，该活塞环至少包括大致环形的金属基体(2)，基体(2)具有至少第一区域(20)、至少第二区域(21)以及至少缺口(22)，第一区域(20)以与缺口(22)大致相对的方式定位，该活塞环包括第二区域(21)中的至少氮化物层(3)并且包括第一区域(20)中至少减少的氮化物层(3)；在第一区域(20)中，由于预先施加有中间层(4)，所以至少部分地阻止该减少的氮化物层(3)。

Description

活塞环以及制造活塞环的方法
技术领域
本发明涉及活塞环，其特别是用于在内燃机和/或压缩机的活塞槽中使用，该活塞环具有金属基体，除了金属基体的大致与活塞环的缺口或狭缝相对的区域之外，在金属基体的整个表面上施加氮化物表面涂层。本发明还涉及用于制造活塞环的方法。
背景技术
在具有在各自汽缸内运动的一个或更多个活塞的内燃机中，每个活塞都包括一个或更多的活塞环，在发动机工作时，活塞环承受剧烈的作用力。
一种保证活塞环的耐磨性的方法是在构成活塞环的基体金属上施加涂层，以使活塞环具有长的贮藏寿命。特地形成涂层以抗磨损和磨耗，以使活塞环即便在汽缸中移动几百万次循环之后仍能保持活塞环的设计性能。
第一种代表性的现有技术是北美专利US 6,698,763，该专利涉及具有不锈钢基体的活塞环，最初，在不锈钢基体上施加氮化物层，其中该氮化物层包括扩散层和化合物层，化合物层施加在扩散层上。
在施加氮化物层之后，在活塞环的上圆角及下圆角的整个延伸范围内以如下方式进行倒角处理：在这些地方，将氮化物层全部移除，以使基体材料露出。最后，在活塞环的与汽缸壁保持接触的外侧表面上施加陶瓷涂层。
设置倒角处理以防止这些地方应力集中，并且显著地减小裂纹的出现和扩展。
第二种代表性的现有技术是北美专利US 6,508,473，该专利涉及具有不锈钢基体的活塞环，除了不锈钢基体的与汽缸接触的外表面之外，在不锈钢基体的整个延伸范围内，通过离子电镀或PVD(物理汽相沉积)处理施加由氮化铬(其晶相为CrN和/或Cr2N)或氮化钛组成的氮化物层，其中在不锈钢基体的与汽缸接触的外表面上施加另一种涂层。在与上表面侧和下表面侧邻接的各区域中，上述另一种涂层与氮化物层是分开的，彼此没有重叠或接触。两种涂层之间的距离处于0.001mm(毫米)至0.3mm的数值范围内。
根据此实施例，限制了出现蔓延的偶发性裂纹，避免了裂纹形成的延伸导致再涂覆层脱落。
第三种代表性的现有技术是日本专利文献JP 2002-61746中公开的技术，该专利文献涉及如下活塞环：该活塞环具有钢的或铸铁的基体，该基体的外表面(与汽缸壁接触的表面)上具有凹槽。最初，在基体上施加氮化物层；然而，由于氮化物层的延展性很低，所以该外表面上不施加此氮化物层，或者从该外表面上将氮化物层完全移除。然后，在该外表面上，利用离子电镀或PVD(物理汽相沉积)处理施加氮化铬层。所得到的活塞环具有良好的抗磨性和适当的再涂覆层抗脱落的性能。
第四种代表性的现有技术是日本专利文献JP 5-172248中公开的技术，该专利文献涉及具有金属基体的活塞环，该金属基体上施加有氮化铬或氮化钛的硬质陶瓷层。随后，在活塞环的侧表面、上表面、下表面以及内表面上形成氮化物层。面向汽缸壁的外角部没有被施加任何氮化物层，因此只具有利用离子电镀或PVD(物理汽相沉积)处理最初沉积的硬质陶瓷层。
然而，请注意，上述提到的文献都没有考虑到活塞环受到的作用力以显著的方式变化，即，活塞环不是以完全均匀的方式经受全部的作用力。
通过广泛的研究、测试及模拟，本申请人发现：活塞环所经受的大部分作用力和导致再涂覆层脱落或结构损坏的潜在可能性位于如下区域：该区域大致与活塞环的缺口相对，即，该区域大致位于从缺口开始的180°处。在此区域中，由于经受作用力，所以在例如由CrN形成的涂层上出现相应的细微裂纹，这些细微裂纹蔓延直到活塞环断裂的时刻。在已进行的一组测试中证实：在活塞环的其它部分上，在CrN层上的出现裂纹保持为许可值。
在不依靠设置倒角处理或者使活塞环造价昂贵的其它工序的情况下，本申请人做出了如下全新且初始的活塞环产品：该活塞环在与缺口相对的区域上不具有氮化物层，能够极好地满足性能和耐用性的全部要求。
<本发明的目的>
因此，本发明的一个目的是提供一种活塞环，优选地，但非限制性地，作为内燃机或压缩机中使用的压缩环，除了活塞环的与活塞环的缺口或狭缝大致相对的区域之外，该活塞环在其整个延伸范围内具有氮化物层。
本发明的另一个目的是提供一种活塞环，优选地，但非限制性地，作为内燃机或压缩机中使用的压缩环，该活塞环具有通过离子电镀或PVD(物理汽相沉积)处理而沉积的氮化铬涂层，并且该活塞环形成的潜在破坏性细微裂纹数量减少。
最后，本发明的另一个目的是提供一种用于制造前述活塞环的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种活塞环，其特别是用于在内燃机或压缩机的活塞槽中使用，所述活塞环至少包括大致环形的金属基体，所述基体具有至少第一区域、至少第二区域以及至少缺口，所述第一区域以与所述缺口大致相对的方式定位，所述活塞环还包括所述第二区域中的至少氮化物层以及对所述第一区域施加的中间层，对所述第一区域施加的所述中间层能使所述第一区域中形成的所述氮化物层相对于所述第二区域中的所述氮化物层减少至少50％。
本发明的目的是还提供一种活塞环，其特别是用于在内燃机或压缩机的活塞槽中使用，所述活塞环至少具有大致环形的金属基体，所述基体具有至少第一区域、至少第二区域以及至少缺口，所述第一区域以与所述缺口大致相对的方式定位，所述活塞环还包括所述第二区域中的至少氮化物层，并且所述活塞环在所述第一区域中不包括任何氮化物层。
此外，本发明的目的是提供一种用于制造前述段落中限定的活塞环的方法，所述方法包括如下步骤：
(i)完成所述基体的制造；
(ii)对所述第一区域施加中间层；
(iii)至少在所述第二区域中形成氮化物层；以及
(iv)施加氮化铬或者类似物的涂层。
附图说明
接下来，将基于附图所示的实施例对本发明进行更详细的说明。附图示出的是：
图1是根据本发明活塞环的示意性透视图；
图2是根据本发明活塞环的第一示意性俯视图；
图3是根据本发明活塞环的第一示意性A-A截面图；
图4是根据本发明活塞环的第二示意性B-B截面图；
图5是根据本发明活塞环的A-A位置处的截面照片；
图6是图5所示的A-A位置处的截面的外表面的涂层的细节照片；
图7是根据本发明活塞环的B-B位置处的截面照片；
图8是图7所示的B-B位置处的截面的外表面的涂层的细节照片；
图9是根据本发明活塞环的第二示意性俯视图；
图10是对氮化物活塞环的第一区域施加有保护性油墨的截面图；
图11是对氮化物活塞环的第一区域没有施加保护性油墨的截面图；
图12是示出现有技术活塞环与本发明活塞环之间的疲劳测试对比的图表；
图13是示出现有技术活塞环与本发明活塞环之间的疲劳测试对比的图表。
具体实施方式
本发明涉及活塞环1，该活塞环1特别是用于在内燃机或压缩机的活塞环槽中使用。
优选地，但非限制性地，根据本发明的活塞环1是用于在四冲程循环的情况下操作的内燃机中使用的压缩环，然而明显的是，在不脱离权利要求书的保护范围的情况下，可以获得任何其它应用，诸如油环等。
如上所述，本申请人进行了详尽的研究、测试以及模拟，并且证实：在发动机中使用的且涂覆有硬质涂层以降低由于活塞在汽缸中移动所导致的活塞环磨损的压缩环中，在大多数情形下，断裂发生在以与缺口或狭缝大致相对的方式定位的区域中。
更具体地，在大多数情形下，可能导致活塞环断裂的细微裂纹开始于活塞环的运动表面(面向汽缸壁的表面)，甚至是由于活塞环的尖锐边缘导致活塞环断裂发生。
可供选择的方法是利用制造处理中的另一个步骤对角部进行倒角处理，即，加工端部并且使端部为圆形，该工序可以明显地减少在角部上出现应力集中。然而，需要非常精确地执行上述倒角处理，以防止一旦活塞环的与汽缸接触的表面的下角部(其被倒角或加工成圆角)从汽缸壁面上刮油的效率降低而使活塞环具有较低性能等级。因此，过度倒角(或加工成圆角)一方面使内应力充分减少，另一方面引起润滑油消耗升高并且从而导致污染物排放等级升高。
一旦需要消除此缺陷而不需要执行大尺寸的倒角，则产生根据本发明的活塞环，该活塞环在与缺口相对的部分上不具有氮化物层，并且极好地满足性能和耐用性的全部要求。
具体而言，根据本发明的活塞环1包括至少大致环形的金属基体2，该基体2具有至少第一区域20、至少第二区域21以及至少缺口22。
优选地，基体2由含有10％至17％重量(重量百分比)的铬的不锈钢构成，但明显的是此构造只是几种可能构造中的一个构造。作为选择地，可以设想基体2为碳钢、铸铁、钛，或者基体2由任意其它合金制成。毕竟，这些材料全部都已经大量地使用来制造活塞环。
正如附图所示，第一区域20以与缺口22大致相对的方式定位。鉴于基体2大致呈环形，所以定义缺口22位于0°(零度)的位置，第一区域位于180°的位置，并且与180°的位置大致邻接，第一区域是经受最大作用力的区域，当向第一区域施加延展性低的硬质涂层时，容易出现细微裂纹。
不能忽略的是，当活塞环定位在活塞槽中(并且活塞环在汽缸内作直线往复运动)时，活塞环经受一系列的作用力，这些作用力的效应恰好在与缺口相对的区域中因杠杆效应而放大，这些作用力对于出现细微裂纹以及甚至对于活塞环有可能发生的断裂以及随后的结构损坏而言变得更加关键。
本申请人所进行的研究表明：第一区域20不仅与从缺口22开始恰好在180°定位的点相对应，而且与朝着缺口22小距离地、呈角度地延伸的更大区域相对应。优选地，第一区域20为大致设置在从缺口22开始计算的140°与220°之间的区域，从而第一区域20与基体2的大约80°的范围相对应，这表明第一区域20的范围不会是360°。
因此，活塞环的稍小于25％的范围与如下区域相对应：该区域没有被施加氮化物层，存在出现潜在的破坏性细微裂纹的风险。
但是，明显的是，可以变化第一区域20的范围。在不脱离本发明权利要求书的保护范围的情况下，根据本发明教导而制成的活塞环1的第一区域20的范围可以完全与小于80°的范围相对应，或者作为选择地，可以与更大的范围相对应。然而，根据实际效果，可能考虑第一区域20总体上几乎不与基体2的180°或更大的范围相对应。
为了避免出现潜在的破坏性裂纹，根据本发明的活塞环1的基体2的第一区域20最初地形成有中间层4，该中间层4用于减小或防止在第一区域20形成氮化物层3，然而，在与活塞环1的大部分基体2相对应的第二区域21中，不存在那么大的作用力，并且允许自由地形成此氮化物层3。
然后，在第二区域21中的氮化物层形成之后，在活塞环的整个延伸范围内(包括第一区域20和第二区域21)，利用离子电镀或PVD(物理汽相沉积)处理施加氮化铬(CrN和/或Cr2N)涂层5，以确保活塞环1抵抗汽缸内的活塞为了使发动机的工作循环达几百万次而恒定运动所产生的连续摩擦。
如附图所示，本发明优选实施例示出第一区域20，该第一区域20完全地涂覆有中间层4(即，中间层4施加在第一区域20的整个横截面的表面上)。然而，完全可能且可行的是，在活塞环1中，中间层4(该中间层4减小或防止形成氮化物层3)不施加在基体2的第一区域20的所有表面区域上，而是仅仅施加在对于内应力集中而言更关键的地方，例如仅施加在朝向汽缸壁的运动表面上，或者技术上可行的任意其它方案。
优选地，中间层4是金属镍的薄层；然而，作为选择，该镍层可以用具有等同功能的如下特定涂层来代替：该特定涂层执行相同的任务，即，减少或防止形成氮化物层。
可以施加在中间层4上的另一种特定的保护性涂层为保护性油墨。当将此保护性涂层施加在中间层4上时，此保护性涂层用于实现相同的目的，即，增大活塞环的抗断裂性。当将保护性油墨施加在中间层4上时，保护性油墨将部分地阻止氮化处理的影响，并且氮化层的厚度减小至少30％。
为了制造根据本发明的活塞环1，在基体2全部制成之后(如上所述，基体2可以有相当多的变型)，最初地，将中间层4镍层或保护性油墨施加在第一区域20上。此中间层4可以利用技术上可行的任意方法来施加，例如任意化学的或电化学方法。在采用镍的情形下，中间层4优选地由纯镍构成，而在采用保护性油墨的情形下，中间层4可以是根据希望所达到的氮化物减少量而进行改变组成的任意组合物。总之，中间层4的厚度在1μm至50μm范围内。
具体地，鉴于所希望获得的活塞环的性能，中间层4可以施加在第一区域20的整个横截面的表面上，或者仅仅施加在对于内应力集中而言更关键的地方，诸如施加在朝向汽缸壁的运动表面等上。
在向第一区域20施加中间层4完成之后，形成氮化物层3，在此第一区域20中，正是由于存在中间层4，所以氮化物层3终止而不附着/形成在中间层4上，或者氮化物层3被部分地阻止，但是氮化物层3完全形成在基体2的其余部分上，即，第二区域21上。
因此，中间层4起到基本的保护作用，以减少或避免活塞环的第一区域20受到氮化处理。
正如已提到的，当中间层4采用保护性油墨时，将部分地阻止氮化处理的影响，并且氮化物层的厚度减小至少30％。图10和图11分别示出活塞环的第一区域中具有保护性油墨(图10)和不具有保护性油墨(图11)的截面图。
注意的是，金相分析表明：在施加了保护性油墨的区域中，氮化物层减少50％。基于该结果，可以断定：保护性油墨显著地降低对第一区域20的氮化处理。
所施加的保护性油墨的厚度是30μm，并且通过对施加和未施加保护性油墨的不同的区域中的氮化物层的深度进行测量来评估油墨的效果。当然，保护性油墨的厚度将对阻止氮化物层产生影响。保护性油墨的厚度根据所希望的氮化物层的减小量能够在1μm至50μm范围内变化。
在第二区域21中形成氮化物层3之后，可以通过化学处理(例如，化学蚀刻等)和/或机械处理(切削、研磨、喷砂等)将中间层4从第一区域20中移除，或者不移除中间层4。中间层4的移除取决于是后续PVD处理的需要。
因此，在将中间层4移除的情形下，通常当采用镍的中间层时，活塞环只在未被镍保护的区域(第二区域21)中存在氮化物层3，而在第一区域20中，活塞环处于固有形式，即，不具有易于导致内应力集中以及更容易使潜在的破坏性细微裂纹存在的氮化物层。
由于氮化处理步骤的作用，镍层有时会被强烈地推压到金属基底的内侧，从而从处理的角度来看，将镍移除变得难以实施。作为选择，中间层4能够用保护性油墨来制成。即使知道第一区域20中的氮化层厚度减小的结果，但通过增加第一区域20中的氮化物层的延展性增加活塞环的韧性来提高抗断裂性。
在普通的机械操作之后，在处理的最后步骤，活塞环受到如下处理：对所述层涂覆氮化铬(CrN和/或Cr2N)或者其它必要的或期望的材料，该涂覆处理优选地利用PVD法，但是显然能够通过任意其它具有相同功能的方法来完成。
重要的是，与镍层相比，通过使用保护性油墨而带来的益处之一是由于如下事实：活塞环准备采用PVD涂覆的步骤能够成功地将中间层4保护性油墨移除，而不需要其它额外的步骤。因此，如果与需要将镍保护层移除的情形相比，则使处理更容易。
最后，本发明的活塞环还是一项创造性的新发明，该活塞环被包括在权利要求书的保护范围内，用于制造本发明活塞环1的方法包括如下步骤：
(i)完成基体2的制造；
(ii)对第一区域20施加中间层4；
(iii)至少在第二区域21中形成氮化物层3；
(iv)利用离子电镀或PVD或类似处理施加氮化铬(CrN和/或Cr2N)涂层5。
在步骤(ii)中，将中间层4施加在第一区域20中的基体2的整个横截面的表面上，或者，作为选择，将中间层4施加在第一区域20中的基体2的横截面的部分表面上，更具体地，将中间层4施加在朝向汽缸壁的运动表面上。优选地，在步骤(ii)中施加的中间层4是保护性油墨，或者在中间层4的组分中具有镍。
作为选择，必要时，在步骤(ii)与步骤(iii)之间可以具有用于移除中间层4的步骤。
最后，在步骤(iv)中，在包括区域20和区域21的活塞环的整个延伸范围内施加由氮化铬5或类似物构成的涂层，此涂层的涂覆优选地通过PVD处理来完成。
为了更好地证明本发明目的能够达到的极好益处，图12和图13示出了研究现有技术的活塞环与根据本发明的活塞环之间的对比疲劳数据。值得注意的是，本发明的用于测试的活塞环包括含有金属镍的中间层4。
下面的表1列出了所执行的疲劳测试的数据结果。
表1：现有技术活塞环和本发明活塞环的疲劳测试
通过分析上述数据使我们得出如下结论：不管活塞环的厚度如何，益处总是巨大的，并且根据本发明活塞环的抗疲劳数值与现有技术活塞环的抗疲劳数值相比在2倍至几乎高于5倍之间波动。
在说明优选实施例的实例之后，应该理解的是，本发明的范围包括其它可能的变型例，并且本发明的范围仅由权利要求书的内容限定，权利要求书包括可能的等同物。

Claims (26)

1.一种活塞环，其特别是用于在内燃机或压缩机的活塞槽中使用，所述活塞环至少包括大致环形的金属基体(2)，所述基体(2)具有至少第一区域(20)、至少第二区域(21)以及至少缺口(22)，所述第一区域(20)以与所述缺口(22)大致相对的方式定位，所述活塞环的特征在于，
所述活塞环包括所述第二区域(21)中的至少氮化物层(3)以及对所述第一区域(20)施加的中间层(4)，对所述第一区域(20)施加的所述中间层(4)能使所述第一区域(20)中形成的所述氮化物层(3)相对于所述第二区域(21)中的所述氮化物层(3)减少至少50％。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述第一区域(20)是所述基体(2)的如下区域：所述区域大致设置在从定位在0°处的所述缺口(22)开始计算的140°与220°之间。
3.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述基体(2)由含有10％至17％重量的铬的不锈钢构成。
4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)施加在所述第一区域(20)中的所述基体(2)的整个横截面的表面上。
5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)施加在所述第一区域(20)中的所述基体(2)的横截面的部分表面上，更具体地施加在朝向汽缸壁的运动表面上。
6.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)由最厚50μm的薄层构成。
7.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)由保护性油墨的薄层构成。
8.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)由金属镍的薄层构成。
9.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
在所述第二区域(21)中的所述氮化物层(3)形成之后，所述第一区域(20)的所述中间层(4)被选择性地移除。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的活塞环，其特征在于，
所述活塞环施加有氮化铬涂层(5)。
11.一种活塞环，其特别是用于在内燃机或压缩机的活塞槽中使用，所述活塞环至少包括大致环形的金属基体(2)，所述基体(2)具有至少第一区域(20)、至少第二区域(21)以及至少缺口(22)，所述第一区域(20)以与所述缺口(22)大致相对的方式定位，所述活塞环的特征在于，
所述活塞环包括所述第二区域(21)中的至少氮化物层(3)，并且所述活塞环在所述第一区域(20)中不包括任何氮化物层(3)。
12.根据权利要求11所述的活塞环，其特征在于，
所述活塞环具有对所述第一区域(20)施加的中间层(4)，并且所述中间层(4)防止所述氮化物层(3)在所述第一区域(20)中形成。
13.根据权利要求11或12所述的活塞环，其特征在于，
所述第一区域(20)是所述基体(2)的如下区域：所述区域大致设置在从定位在0°处的所述缺口(22)开始计算的140°与220°之间。
14.根据权利要求11所述的活塞环，其特征在于，
所述基体(2)由含有10％至17％重量的铬的不锈钢构成。
15.根据权利要求12所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)施加在所述第一区域(20)中的所述基体(2)的整个横截面的表面上。
16.根据权利要求11所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)施加在所述第一区域(20)中的所述基体(2)的横截面的部分表面上，更具体地施加在朝向汽缸壁的运动表面上。
17.根据权利要求11所述的活塞环，其特征在于，
所述中间层(4)由金属镍的薄层构成。
18.根据权利要求11所述的活塞环，其特征在于，
在所述第二区域(21)中的所述氮化物层(3)形成之后，所述第一区域(20)的所述中间层(4)被移除。
19.根据权利要求18所述的活塞环，其特征在于，
所述活塞环施加有氮化铬涂层(5)。
20.一种制造权利要求1至19所述的活塞环的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(i)完成所述基体(2)的制造；
(ii)对所述第一区域(20)施加中间层(4)；
(iii)至少在所述第二区域(21)中形成氮化物层(3)；以及
(iv)施加氮化铬或者类似物的涂层(5)。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，
在步骤(ii)中，将所述中间层(4)施加在所述第一区域(20)中的所述基体(2)的整个横截面的表面上。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，
将所述中间层(4)施加在所述第一区域(20)中的所述基体(2)的横截面的部分表面上，更具体地施加在朝向汽缸壁的运动表面上。
23.根据权利要求20、21、22中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在步骤(ii)中所施加的所述中间层(4)是保护性油墨。
24.根据权利要求20、21、22、23中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在步骤(ii)中所施加的所述中间层(4)的组分中具有镍。
25.根据权利要求20、21、22、23、24中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在步骤(ii)与步骤(iii)之间，具有移除所述中间层(4)的步骤。
26.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
在步骤(iv)中，通过PVD处理施加由氮化铬或类似物构成的涂层(5)。
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