CN102869906A - 活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别计划成用于在内燃机或压缩机中使用的活塞环，且活塞环包括至少一个金属基部(2)，通过物理气相沉积(PVD)施加到金属基部(2)上的多层涂层(3)，多层涂层(3)带有循环部分(P)，循环部分(P)为至少一个第一层(5)和至少一个第二层(5')，至少一个第二层(5')与至少一个第一层相邻，其中第一层(5)主要由金属铬(5)构成，而第二层主要由陶瓷铬(5')构成。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及一种尤其用于在内燃机或各种压缩机中使用的活塞环，活塞环配备有主要通过金属和陶瓷形成的多层交替的涂层。结果，该环具有优异的抗摩擦和抗腐蚀的性能。

背景技术

内燃机基本上通过两个主要部件构成：气缸座(一个或多个气缸和曲轴组件位于气缸座处)，与气缸座相关联的一个或多个气缸盖。曲轴组件由活塞、连杆和通过曲轴构成，要强调的事实是，活塞通常为铝合金的圆柱形部件，活塞在气缸内侧移动。

限定在活塞的上表面、气缸的壁和气缸盖的基部之间的空间对应于燃烧室，其中在柴油发动机中，通常主要通过设在活塞头中的腔体来限定燃烧室。

在燃烧室内侧，发动机将通过混合物(燃料和空气)的燃烧产生的化学能转变成机械能，能够给予轮的移动。

针对在压缩和燃烧期间阻止空气/燃料混合物和排出气体从燃烧室泄漏到油箱中，且还阻止油箱中的油进入燃烧区中，所需的是使用环来在活塞的外部边界与气缸的内壁之间提供滑动密封。

在气缸内侧移动活塞期间，活塞应当完全地附连到气缸的壁上，以便在压缩和燃烧期间阻止空气/燃料混合物和排出气体从燃烧室泄漏到油箱中，且还阻止油箱中的油进入燃烧区中。由于此种解决方案将引起很大的摩擦，故发现的解决方案设计了活塞与气缸的内壁之间的小间隙，围绕活塞放置一个或多个环，以便确保所需的隔离。这种间隙还使得有可能确保空间，以便活塞可用发动机的加热而膨胀，而不会附连到涉及的气缸的壁上，附连到涉及的气缸的壁的该情形将阻止活塞的移动。

通常，更现代的4冲程发动机在各个活塞中使用三个环，两个压缩环和一个油环。定位成离活塞头较近的两个环称为压缩节段，且它们的目的在于确保在活塞进行其压缩移动时的时刻没有气态混合物散逸到油箱的内侧。所谓的油环定位在离活塞头较远的位置中，油环的目的在于当油环移动(尤其是远离气缸盖移动)时，擦掉气缸壁上的多余的油且除去多余的油，控制油'膜'的厚度和防止油不适当的焚烧。

总的来说，活塞环（尤其是压缩环）通过金属基部形成，至少一个涂层施加到金属基部上，涂层与气缸壁进行接触(涂层施加到环的工作表面上)。

涂层的作用非常重要，因为其目的在于给环带来以下的性能：较低的滑动摩擦、良好的抗剥落性、良好的硬度和韧性。然而，这些性能中的许多性能是相反的，且它们中的其中一个性能的增加意味着损失另一个性能的表现，且因此将根据发动机的功能的曲线和根据环在其使用寿命期间将向其提供的作用力来选择待使用的涂层的类型。

通过本领域中的专家提出了一系列复杂的涂层，各种涂层都试图提高所期望的性能。然而，到现在为止，没有一个提出的涂层在同时增大吸收内部应力、高硬度和低厚度的性能中有效，这极大地减少了剥落的出现。

通过专利US5.316.321呈现了第一种现有技术，其涉及用钛合金制造的用于内燃机的活塞环，通过硬膜，使用物理气相沉积("PVD")用于该硬膜的沉积来涂布该活塞环的外部滑动表面。

文献US5.316.321还描述了使用一种或多种类型的膜来涂布活塞环，尤其是TiN(氮化钛)和CrN(氮化铬)。

在专利US5.820.131的情况中呈现了发展的第二种现有技术，其揭示了一种带有涂层的活塞环，该涂层通过单层的Cr₂N或Cr₂N和CrN的混合物的膜形成，其中厚度为3μm至30μm，且氮按照重量计的百分比在11%至17%之间。通过PVD工艺施加该涂层，且涂层的硬度在1300HV至2000HV之间波动。

专利US5,618,590涉及一种通过阴极电弧沉积工艺施加的由一层或多层的膜涂布的活塞环。

文献US5,618,590还描述了施加工艺能够形成第一层和第二层，第一层使用不能够形成碳化物或氮化物的金属(如钴、镍或钼)，第二层使用能够形成碳化物或氮化物的金属(如钛、钒、铬、铁、锆、铌、钨或硅)。

欧洲专利EP0.707.092涉及一种配备有涂层的活塞环，该涂层通过由PVD施加的金属铬和氮化铬的混合物形成。该文献还描述了氮的浓度从金属基部到环的外部逐渐增大。

通过专利US5.601.293呈现了另一种现有技术，其揭示了一种带有涂层的活塞环，该涂层通过由氮化钼、氮化铬构成的单个三元层形成，且氮按照重量计的百分比在4%至22%之间。通过PVD工艺施加该涂层，且涂层的硬度在1400HV至2600HV之间波动。

日本专利JP6.293.954涉及一种由单层涂布的活塞环，该单层通过PVD工艺，至少通过氮化铬形成。形成的该层的晶体还具有从基底的表面延伸至氮化物层的表面的圆柱形式。

日本专利JP6.248.425的文献描述了通过CrN和/或Cr₂N形成的层涂布的活塞环，其中厚度从1μm变化至60μm。像以上文献中那样，本文献还描述了形成的层由晶体构成，晶体的圆柱形状从基底的表面延伸至氮化物层的表面。

针对专利JP 2006 316912的日本申请揭示了一种活塞环，该活塞环的金属基部可由钢、铝或钛合金制成，且金属基部使用PVD工艺来创造出带有较少皱褶的表面膜。该文献还描述了基底的表面上的膜可通过Ti和/或Cr,C,N和O的组合构成。

最后，在专利US6.631.907中可发现最后一种典型的现有技术，其涉及一种带有涂层的活塞环，该涂层由通过PVD施加的CrN或Cr₂N，或还有氮化物的混合物构成。该文献还包括施加CrN与Cr₂N和金属Cr的混合物，且较多地报道了组分的按照重量计的百分比。

因此，我们注意到的事实是，没有一种现有技术涉及通过基于铬的陶瓷层/金属层交替地形成的多层涂层的形成。

换言之，通过提出创新的构造，本发明的目的的活塞环针对（take ahead）通过涂层带来的性能。第一次提出了多层涂层，多层涂层由以其主要成分为氮化铬(CrN)和金属铬(Cr)交替的多个连续的陶瓷层/金属层构成。

结果，我们获得了带有最佳的两种组分的膜，因为该膜带来了各个陶瓷层和金属层的所期望的性能，而不会使得各个膜的弱点变得更强。

考虑到延展性的金属层(Cr)使得适应硬陶瓷层(CrN)更容易，其中硬陶瓷层提供了涂层的较高硬度和较高耐磨性，而通过金属铬形成的层的较高塑性有助于较大减小内部应力的值，使得较厚的涂层成为可能，故使各个化合物的最佳性能更强。

在与现有技术，尤其是使用氮化铬涂层的那些相比时，现在开发的涂层给活塞环带来了更好的耐磨性、较低弹性模量，且同时较大减小了内部应力的值，减少了涂层中裂纹和随后的剥落的出现。

发明内容

    发明目的

本发明的目的在于一种特别用于在内燃机或压缩机中使用的活塞环，活塞环配备有基于陶瓷/金属的多层的原理的涂层。

本发明的目的还在于一种特别计划成用于在内燃机或压缩机中使用的活塞环，该活塞环包括至少一个金属基部，人们通过物理气相沉积工艺将金属铬和氮化铬的涂层施加到金属基部上，以便同时地带来硬度、耐磨性、延展性和减小弹性模量和内部应力的相反性能。

另外，本发明的目的在于一种特别用于在内燃机或压缩机中使用的活塞环，该活塞环配备有重复的陶瓷/金属的CrN/Cr涂层，在与现有技术中的带有氮化铬涂层的环的涂层的厚度相比时，该涂层具有较小的厚度。

最后，本发明的目的在于，在单个施加阶段中借助于物理气相沉积工艺中的氮气的压力的变化将重复的陶瓷/金属涂层施加到金属活塞环的本体上的工艺。

本发明的简要描述

通过一种特别设计成用于在内燃机或压缩机中使用的活塞环来达到本发明的目的，该活塞环包括至少一个金属基部，人们通过物理气相沉积工艺(PVD)将涂层施加到金属基部上，该涂层包括通过至少一个第一层和至少一个相邻的第二层形成的循环部分，其中第一层主要通过金属铬形成，而第二层主要通过陶瓷铬形成。

附图说明

下文将基于附图中呈现的实施实例来更为详细地描述本发明。附图示出了：

图1为组装在活塞的小通道上且与气缸的壁处在摩擦中的本发明的目的的活塞环的示意性横截面视图。

图2为允许观察金属基部和相应的多层涂层的本发明的目的的活塞环的横截面的放大金相图片。

具体实施方式

基本上由于活塞环的涂层3的优点和创新特性，故本发明的目的的活塞环1不同于当前存在的活塞环。

我们应当指出的是，环1优选为用于在4冲程内燃机中使用的压缩环，其中环1可非常良好地具有其它实施例，如用以擦油的环、施加到活塞压缩机上的环、2冲程发动机的环或甚至任何其它可能的实施例，其中环1给涂层3带来限定于其中的创新特性。

不论何种优选构造，本发明的活塞环1都包括至少一个金属基部2，带有在金属层5与陶瓷层5'之间交替的多个层(5,5')的涂层3通过物理气相沉积(PVD)工艺施加到金属基部2上。

涂层3由金属/陶瓷的多层5，5'构成，金属/陶瓷的多层5，5'设置成以便形成至少两个循环部分P，其中各个循环部分通过至少一个金属铬层5和相邻的至少一个陶瓷铬层5'形成。

此外，基部2由适合其形成的任何金属材料构成，且基部2可根据环1的特性和环将根据其操作的工作状态而呈现出各种形状的横截面。为此，人们优选使用适于基部2的构成的任何含铁合金，且清楚的是有可能在存在利益和技术可行性的情况下使用其它材料。更优选地，基部2由通常称为不锈钢的带有10%至17%的铬的钢构成。

人们将基于铬的金属/陶瓷涂层3施加到基部2上，在相比于现有技术时，即，使用单层氮化铬涂层的那些，涂层3向环1提供了较高耐磨性、较低弹性模量的性能，且同时提供了内部应力的值的较大减小、减少涂层中的裂纹和随后的剥落的出现的性能。

如上文所述，涂层3包括基于铬的多层金属层5/陶瓷层5', 多层金属层5/陶瓷层5'布置成以便形成循环部分P。因此，循环部分P包括强制性地为不同构造的至少两个相邻的层5,5'，即是说，一层5主要具有金属相，而另一层5'主要具有陶瓷相。因此，涂层3将具有至少四层5,5'。

构成涂层3的金属层5的其中一个品质包括按照其金属形式的铬(Cr)(图2中示为较亮的层)，铬(Cr)的最重要的机械特性为较高的延展性特性，这使得其较容易适应硬陶瓷层5'。

另一方面，陶瓷层5'包括优选为按照CrN形式(但很明显在其成分中可存在Cr₂N和/或其它化合物/元素的减小的百分比)的氮化铬(图2中示为较暗的层)，氮化铬具有作为其最重要的机械特性的高硬度。尤其重要的是注意到陶瓷层5'的氮化铬还可主要伴随用Cr₂N相来替代CrN相。

考虑到前文，清楚的是循环部分P具有主要由Cr构成的至少一个金属层5和主要由CrN或Cr₂N构成的陶瓷层5'。

作为优选，如图2中所示，金属层5必须定位成邻近陶瓷层5'，或者反之亦然。结果，有可能确保涂层5,5'在不重复的情况下交替。

我们还应当指出的是，任何层5,5'都可沉积在基部2的表面上，且因此有可能将金属层5和陶瓷层5'两者作为第一层沉积在基部2上。自然，在各个沉积层之后，人们应当交替不同的层，即，如果将沉积到基部2的表面上的第一层为陶瓷层5'，则应当跟随金属层5，或者反之亦然，且然后继续。

作为备选，人们可构想出根据本发明的教导内容的环1，其中作为例外，取决于人们期望提供给涂层3的抵抗性和延展性的品质，可存在相等品质的两个相邻的层。

如可在图2中清楚地看到的那样，环1的优选实施例的涂层3包括九个金属/陶瓷层5，5'，其中涂层3的层5,5'的品质在不重复的情况下交替。

如果需要或期望的话，层5,5'可包括根据人们期望达到的机械性能计算出的按照变化的比例的一种或多种附加化学元素。甚至在独立层5,5'中出现混合物的情况下，预计的是到达相同程度的优点，即是说，在多层5,5'的涂层3的情况下也预计本发明的已经提到的优点，其中层主要具有陶瓷，而随后的层主要具有金属。

同样，在人们使用类似的元素来提供金属/陶瓷多层涂层的情况下，预计将达到相同的优点。假设保持金属/陶瓷多层涂层的特性，根据人们期望获得的涂层的机械性能，此种可能的化学元素可存在于其中至少一个层5,5'中，存在于其中一些层5,5'中，或存在于所有的层5,5'中。

请查找涉及通过本发明和现有技术实现的各种性能的以下比较表格。

涂层/结果	多层CrN/Cr	单层CrN
			硬度	1350HV	1200HV
杨氏模量	200MPa	250MPa
			内部应力	-310N/mm2	-1100N/mm2
划痕试验	135N	110N

如我们可在以上表格中看到那样，本发明的涂层3在所有测量的特性中都获得的真正优异的结果。因此，我们确认了针对相反的性能的值的增大，事实上在于真正地证明了本发明的涂层3的成功。

因此，在与典型CrN单层涂层相比时，本发明达到了相当小的弹性模量的值和内部应力的较大减小(相当于小到3.5分之一，considerably 3.5 times lower)。

这些值使得清楚的是，通过弹性模量的减小使得能够由于内部应力的减小和弹性能的增大存在粘合能的增大。

图2示出了带有两个不同的层5,5'的涂层3，其中差异基本上在于铬的含量，因此预计金属层5/陶瓷层5'之间的粘性边界，以便确保层5,5'之间的粘合，结果避免了其接触面上的裂纹的传播。

结果，在使用本发明的涂层3的情况下，内部应力的值的减小转换成针对剥落现象的非常大的阻力，其中由于通过张力的累积和通过低延展性造成的微裂纹的出现导致小部分涂层未涂镀（unplate）。极大的结构性技术的不便在于剥落趋于出现在环的某些区域中，而在其它的区域中，涂层甚至在部件的使用寿命的末期也保持完整无缺或较少损坏。

内部应力的值的该减小给其带来的优点在于，使得能够增大在它们自身之间的层的粘合能，其中产生了涂层的厚度的减小，这是可能的，因为人们可获得剥落的极大减少，确保了甚至在减小厚度的情况下，在环的整个操作寿命期间将存在涂层3。

在本发明的情况下，刮痕试验中获得的结果继而又较为优异，揭示了CrN/Cr的多层涂层3具有比现有技术的涂层(Cr单层涂层)更大的韧性，以有效的方式有助于更好地抵抗涂层的分层。

因此，明显的是，带有优选为金属铬和氮化铬(以CrN相或Cr₂N相)的结构的本发明的金属/陶瓷多层5，5'的涂层3在较高吸收应力的能力同时与由于抵抗外部剪切中的应力的更好特性导致的对裂纹的表面传播的较高抵抗性之间的权衡中提供了清晰改善，事实上这导致了本发明的用于活塞环1的涂层3的关于粘性粘合(抵抗分层)的优异表现。

本发明中应用的沉积工艺为物理气相沉积(PVD)工艺，优选为通过阴极电弧PVD或电弧PVD，阴极电弧PVD或电弧PVD为将电弧用于气化来自于阴极靶的材料的PVD技术。然后，气化的材料冷凝在基底上，形成薄膜。

基本上，所使用的气压(例如，氮)的控制使得能够按顺序产生层5,5'，其中由氮化铬构成的层具有按照重量计在22%至25%之间的氮原子的百分比，而由金属铬构成的层实质上具有0%的氮原子。为了避免各个层5,5'中的氮的不同水平的干扰，将通过涡轮泵来施加高速的泵送。

即使考虑到厚度和循环部分的值在整个涂层(参见图2)中非常稳定；然而，层5,5'仍跟随基部2的变形，导致图2中可见的形状。

在本发明的涂层3的情况下，用氮化铬的成分获得了最高硬度，且继而通过使用金属铬获得了较高延展性。如上文所述，层5,5'的形成中的这两种成分的组合带来令人吃惊的优点，优点尤其在于在作为整体的涂层3中针对其较高的吸收内部应力的能力带来的利益。延展性更大的金属铬的层5吸收作用力和变形，因此减小了该刚性更大的氮化铬层5'提供给其的变形力。在它们中带来微裂纹的出现的较低趋势。结果在于环1的表现的相当大的增强。

另外，由于事实上在于，延展性的铬金属层5允许更好地适应较硬的氮化铬陶瓷层5'，故所出现的是在不损失耐磨性的情况下减小了涂层3的厚度。

图2中所示的环1的优选实施例带来了1000HV至2000HV的表面硬度，且其优选为大约1350HV，其中内部应力为大约-310N/mm²。作为优选，涂层(3)的厚度实质上具有范围从10微米至60微米的值，即，涂层具有大为减小的厚度(纳米层)。

可选的是，可提供定位在基部2与涂层3之间的由铬、镍或钴构成的粘合层。

作为优选，将涂层3施加到环1的整个外表面上，但没有阻止将涂层3施加到预定区域中，没有阻止部分地除去涂层3，或也没有阻止使得任何其它品质的涂层施加到涂层3的顶部上。类似于这样形成的活塞环仍包括在权利要求的保护范围中。

已经描述了优选实施例的实例，人们必须理解的是本发明的范围包含其它可能的变型，且本发明的范围仅通过所附权利要求的内容限制，包括了可能的等同方案。

Claims (11)

1.一种特别计划成用于在内燃机或压缩机中使用的活塞环，包括至少一个金属基部(2)和涂层(3)，所述金属基部(2)通过物理气相沉积(PVD)工艺施加涂层(3)到其上，所述涂层(3)包括循环部分(P)，所述循环部分(P)通过为相邻的层的至少一个第一层(5)和至少一个第二层(5')形成，其特征在于，所述第一层(5)主要通过金属铬(5)形成，并且所述第二层主要通过陶瓷铬(5')形成。

2.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述循环部分仅由两个相邻的层(5,5')构成，其中所述第一层(5)主要通过金属铬(5)形成，而所述第二层主要通过陶瓷铬(5')形成。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的环，其特征在于，所述第一层(5)和所述第二层(5')含有按照质量计百分比不高于的10%的选自氧或碳构成的组中的附加化学元素。

4.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述涂层的维氏硬度具有1,000HV至2,000HV之间的值。

5.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述涂层(3)的厚度具有范围从10微米至60微米的值。

6.根据权利要求5所述的环，其特征在于，所述涂层(3)为纳米层。

7.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述基部(2)由带有10%至17%的铬的钢构成。

8.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述基部(2)由铸铁构成。

9.根据权利要求1所述的环，其特征在于，构成所述第二层(5')的陶瓷铬优选为氮化铬(CrN)，且该第二层具有按照重量计百分比在11%至17%之间的氮。

10.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述氮化铬层(5')能够具有CrN相或Cr₂N相。

11.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述环具有定位在所述基部(2)与所述涂层(3)之间的由铬、镍或钴构成的粘合层。

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