CN102918306B - 抗裂纹扩展的氮化活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于弹性燃料发动机的活塞环中的氮化层剥落问题的解决方案，不损害耐磨性，针对此目的提出一种氮化活塞环(100,100’)，其具有两个氮化层(1,2)以及主要由铁构成的金属基底(3)，并且其展示出的表面硬度为约800维氏硬度值，对于距离表面至多90微米(μm)的距离，所述表面硬度以基本上线性的方式降低直至约400维氏硬度值。

Description

抗裂纹扩展的氮化活塞环
本发明涉及用于内燃机的活塞环，更具体地，涉及用于弹性燃料发动机（Flex-fuel engine）的压缩环，其抗氮化层剥落的性质具有相当大的改善。
氮化
氮化是一种旨在尤其是对钢制压缩环的机械性能（在此特定情况下，为活塞环的滑动面的机械性能）提供改善的表面处理。
通过图1，仅为了举例说明氮化过程，我们可观察到气体氮化（最简单且最重要的氮化形式之一）的化学物理过程。还可观察到氨分解为氮以及被钢的相应吸收。氨与钢接触时发生分解，释放原子氮，其随后能被钢吸收并以填隙方式溶解于铁(Fe)中。当表面达到某种饱和水平时，氮化物的形成通过成核和生长的机制得以促进，并且为此目的需要一定的酝酿期。
通常，通过表面热化学处理，氮化处理能够使表面具有较高的硬度。在此处理中，利用含氮环境在一定的温度下在α相（铁素体）中引入氮，目的是实现钢的硬度和耐磨性的增加。此表面处理提供直至一定表面深度的物质转化，保持了可延展的和强韧的芯，结果，当钢冷却至室温时在所述芯中没有相的变化。正如本主题的专家通常所知，在所有氮化过程中，材料的最表面的区域为接受更多氮吸附的区域，并且随着材料内部到表面的距离增加，被吸收的氮的量下降。类似地，材料的硬度在表面上较高，随着深度增加而缓慢降低。
在氮化的一些优点中，我们应指出：
高表面硬度和增加的耐磨性；
高耐疲劳性–在钢表面形成可压缩力；
高尺寸稳定性；
无翘曲风险。
弹性燃料发动机
乙醇是一种用作内燃机燃料的易燃材料，尤其是在巴西，在那里，随着弹性燃料发动机（其能用纯的或以任何比例混合的酒精或汽油来运行）的投放市场，它近来开始被广泛使用。
由于允许将酒精用作燃料，靠汽油运行的内燃机逐渐适合于也能使用乙醇；然而，尽管有本领域中的这些发展，在将乙醇用作燃料中也会出现一些产生缺点的问题。最麻烦的缺点之一是当发动机利用乙醇运行时，活塞环承受更高磨损，这因较低的润滑条件和较高的工作温度而变得更糟。
在一些弹性燃料发动机中，已经出现压缩环涂层氮化表面层材料的剥落。剥落的发生是由以下因素的组合所致：例如边缘润滑条件、高工作温度和发动机点火点过度提前，特别是当弹性燃料发动机利用乙醇运行时应用发动机点火点过度提前以促进在部分荷载下所产生的扭矩的增加。点火点的过度提前代表活塞和环的过度工作，这可导致经表面处理的材料以相比靠汽油运行的发动机的情况严重得多的方式剥落。
而且，恒定的负载和卸载作用造成环滑动表面上的塑性变形，这一事实可导致表面下裂纹和随之发生的覆盖物松弛。此现象在英语中称为spalling，在葡萄牙语中称为"espalação"或"destacamento"，在本文中我们使用术语“剥落(spalling)”。
活塞环的这些片段的剥落可造成严重的运行问题，例如由于环和汽缸之间的磨擦引起的在汽缸壁上的刮痕和汽缸套的损耗、损害汽缸的密封并导致压缩的损失以及使油通往发动机燃烧室区域。此类问题在更严重的情况下导致发动机最佳操作特性的损失（例如发动机压缩的显著降低）并且还造成作用部件的过早磨损。
我们应指出，此类问题尤其是在将乙醇用作燃料的弹性燃料发动机中发生。
上述剥落现象尤其可在图2和3中观察到。图2显示将乙醇用作燃料的弹性燃料发动机的由气体氮化钢–GNS制成的活塞环中发生的裂纹和随之发生的剥落。而图3描述与图2中的环等同的环的横截面，其中易于识别裂纹的外观和相应的扩展，该裂纹造成随之发生的氮化表面的剥落。作为本报告中将探究的技术特征，我们应提到这些图中所示类型的GNS环具有约1000表面维氏硬度值(Hv)的硬度。
在重复的测试和相应的实验室观察之后，可观察到通常裂纹的发生在大多数情况下垂直于环的滑动表面发生，并且在硬度较低的某一深度开始，裂纹偏离，并开始与氮化层和非氮化材料的基底之间的边界平行。如本报告一开始在氮化章节中所阐释的，氮化材料的表面区域吸收更多的氮，该表面区域被转化为比材料的更内部的区域更硬的区域，而在该更内部的区域中，自然地，吸收较少的氮并因此是硬度较低的区域即，具有较高的韧性。因此可合理地推断，当发现硬度较低（即更具韧性）的材料区域时，裂纹朝向深处扩展不可能，促使其在该区域内改变方向并水平扩展，在所述区域内基底的硬度仍相当高。
最后，我们应注意，环的氮化表面的剥落发生在使用者观察不到的地方，并且其可产生比环本身剥落甚至更多的损耗，导致发动机的拆卸以供检修（往往是成本高昂的手续）。
现有技术的描述
现有技术讨论了具有良好抗剥落性的活塞环，但目前没有已知的文献预期到本发明活塞环对象的特性。
专利US 4.570.946涉及在其表面具有(equip with)外部涂层的氮化活塞环。该环首先在其整个表面上进行了氮化以便形成组成层(composed layer)和扩散层，其中组成层形成于扩散层上。之后，除去至少组成层并施加附加的涂层，提高所得环的机械性能。
氮化层发挥作用以防止在发动机运行期间由于与活塞小通道的重复的不可避免的冲击而发生环的磨损。
专利US 4.966.751涉及一种用于例如活塞环或往复杆的钢，所述钢由于其化学组成而具有良好的耐磨性。出于使这些优良的性质更佳的目的，所述钢必须为氮化工序的对象，尤其是在其将与另一组件具有机械接触的位置。该文献详细描述了所述钢、其主要变型及组成。
专利US 2007/0187002的申请案涉及一种具有高抗刮擦性和高抗疲劳性的活塞环以及其制造方法。该环的基底由不锈钢制成并且滑动层经过氮化，其表面上包括由亚硝酸盐组成且尺寸为0.2至2.0 μm的硬颗粒，因为其较大直径必须为7 μm或更小并且相应区域的比率必须为5%至30%。
专利文献JP 58–27860涉及一种耐磨性、耐腐蚀性和耐刮擦性增强的活塞环，其具有具有马氏体结构(martensitic structure)的钢基底，无数的碳化铬颗粒以3至30 μm的尺寸均匀地分散于所述马氏体结构中。涉及该区域的颗粒的分散以3至20%的比率发生。
所述环具有约400-800 HV的硬度，并且任选地，其接受表面硬度为800-1500 HV的附加的氮化层。
文献JP 61–69957涉及一种氮化涂层，其脆性通过改变位于外部的组成层而降低，所述组成层在其形成（黑色金属的氮化）后是热处理的对象。
热处理除了使组成层成为多孔状并且使其有可能像活塞环的层和涂层那样使用之外，还降低了组成层的脆性并能更容易地在随后对其进行处理。
最后，文献JP 2002–317225涉及一种用于活塞环的具有低的铬含量的马氏体不锈钢，其对疲劳、磨损和高温更具抗性。此材料的组成包括0.35%至0.9%的C、7%至13%的Cr和0.05%至0.20%的N，因为用它形成的环的滑动接触表面必须经过氮化处理。
发明目的
因此，本发明的目的之一是提供用于弹性燃料发动机的氮化活塞环，其能够解决当此类发动机靠作为燃料的乙醇运行时可能发生的剥落问题。
本发明的另一目的是通过对裂纹扩展具有优越抗性的涂层来保证活塞环的氮化表面的高耐磨性和高抗剥落性。
发明简述
本发明的目的通过提供如此的氮化活塞环而得以满足，其具有主要由铁构成且与第一层结合的金属基底，所述环另外包括位于基底与第一层之间的第二层，第一层具有至少2重量%氮和基本上800维氏硬度值的最大硬度，并且第二层具有的碳的重量百分比至少略大于存在于基底上的碳的重量百分并且厚度大于或等于至少15微米(μm)。
本发明的目的还通过如此的氮化活塞环而得以满足，该氮化活塞环具有主要由铁构成且与第一层结合的金属基部的，所述环另外包括第二层，第二层位于基底与第一层之间，第一层具有至少2重量%氮，第二层具有的碳的重量百分比至少略大于存在于基底(3)上的碳的重量百分比，并且所述环具有基本上800维氏硬度值的最大硬度，所述硬度以基本上线性的方式变化，直至在从其外表面或从第一层(1)最外部开始计算85微米(μm)的深度处的400维氏硬度值的最小硬度。
附图简述
以下将基于附图中代表的实施例子对本发明进行更详细的描述。这些图中显示：
图1–其为气体氮化过程的示意图，其中可观察到氨向氮的分解以及被钢相应的吸收。
图2-现有技术中活塞环的滑动面的金相照片；
图3-现有技术中活塞环的横截面的金相照片；
图4-现有技术中氮化活塞环的金相照片；
图5-本发明活塞环对象的金相照片；
图6-现有技术中氮化活塞环的微观结构的照片，其揭示扩散层的存在；
图7-本发明活塞环对象的微观结构的照片，其揭示两个扩散层的存在；
图8-现有技术中活塞环与本发明的环对象对比的磨损的比较图；
图9-现有技术中氮化活塞环的金相照片，其揭示在氮化层上存在碳化铁；
图10-本发明的活塞环对象的金相照片，其揭示在氮化层上不存在碳化铁；
图11-显示现有技术中的活塞环与本发明的活塞环对象的硬度分布(profile)的图；
图12-本发明的活塞环对象的金相照片，其中可辨识出两个不同的层，以及根据各层的碳和氮的不同浓度的曲线；
图13-现有技术中氮化活塞环的照片，其揭示刮痕试验的结果；
图14-本发明活塞环对象的照片，其揭示刮痕试验的结果；以及
图15-本发明活塞环对象的变型的示意图，包括之后在第一氮化层上施加涂层。
附图详述
本发明提出一种氮化活塞环，其涂层赋予对裂纹的形成和尤其是对裂纹的扩展的更高的抗性。
所述活塞环包括金属基底，该金属基底优选地但非强制性地由碳含量大于8%的马氏体不锈钢构成。该环的优选的环应用为用于弹性燃料发动机的第一道压缩环，考虑到其解决了与当此类发动机将乙醇用作燃料时可发生的剥落相关的问题。
因此，成功地开发了这样的氮化产品，其具有高延展性、裂纹的形成和扩展特别减少、保持关于耐磨性的所需特性的特性。当然，所满足的优越值的测量是参照现有技术中的活塞环，也称为典型GNS环。
图2和3举例说明现有技术中的活塞环；其中，裂纹的形成和扩展以及随之发生的剥落10是明显的，这些正是本发明的环所要解决的问题。
图4和5分别显示现有技术中的活塞环101和本发明的环100并且它们对于理解本发明是非常重要的，这就是为什么在此报告中对它们进行反复讨论的原因。我们应预先说明，图4和5均显示活塞环在经历Murakami型化学侵蚀之后的横截面金相图像，以便使存在于微观结构中的碳化物明显。
与图5相比时，图4清楚地示出基底中的本质区别，其明显验证了本发明相比现有技术的进步。图4显示典型的GNS环，其中仅存在一个氮化扩散层4，随后为金属基底5。
图5代表本发明的环对象，其实质上具有基底3和至少一个第一氮化层1和一个第二氮化层2。所谓的第一层1朝向外部并且其在大多数情况下为外部层，除非施加任何涂层的第三层30（类似这样形成的100’环（其构成本发明的变型）显示在图15中并将在以下更详细地加以描述）。关于第二层2，其为位于第一层1与基底3之间的层。
在图5中，我们能清楚地看到由创新性氮化法所产生的两个扩散层1、2，在创新氮化过程这一点上，最大的新颖性是存在第二层2，其非常清楚和明确，与现有技术的解决方案不同。
因此，在本发明的环中非常显著的是存在第二层2，其与现有技术中的环101相比富含碳化物，由于在图4中氮化层4之后碳化物的分布明显更均匀，因此中间层的存在不明显，例如第二层2。因此，图5明显地显示出新颖性（正是存在中间的碳化物第二层2）。还可观察到第一层1上几乎不存在碳化物，这一事实与现有技术的氮化相4中通常存在碳化物相比同样非常新颖（这一点在本报告中将适时进行讨论）。
关于现有技术101中扩散层4和本发明100的两个扩散层1、2的具体存在的此类特性还可见于图6和7，两图分别代表现有技术101和本发明100的微观结构。
那么，在本发明对象的一个优选的但非强制性的具体化形式(concretization)中，我们可以限定，氮化活塞环100的硬度为约650维氏硬度值，该值远低于通常用于此类应用的值，该值由两个扩散层1、2（以便具有最软的可能的硬度梯度）和总共约60微米(μm)的氮化层限定。极为重要的是指出现有技术中的环101（该环仅具有一个扩散层4）具有约1000维氏硬度值的表面硬度以及明显更高的硬度梯度。
在产品开发阶段，本发明的活塞环对象100和现有技术中的环101参与现场试验，以关于对剥落和裂纹形成的抗性进行比较，但是由于其硬度较低而预期到本发明的环100的磨损率合乎逻辑地增加。此现场试验的目的是获取基本信息以用作后面开发的指导。
出乎意料地，如图8中所示，所进行的试验显示本发明的环100并未如一开始预期的具有次于典型GNS环101的耐磨性。此外，观察到本发明的环100抵抗垂直于表面的裂纹的形成（在典型的GNS环101中，这种形成通常会发生），这中裂纹引发且导致氮化层的剥落过程。因此，满足出乎意料的效果，从而获得了尤其适合于将环乙醇用作燃料的弹性燃料发动机的运行的环。
以下所述的一系列试验的结果显示出现有技术101和本发明100之间的非常重要的差异，显示在所讨论的作用区域中还存在范例的变化。
通过更详细的研究，可观察到使得本发明的环100可抵抗裂纹扩展的原因之一。图9和10分别显示现有技术中的环101和本发明的环100。通过观察这两幅图，可在化学侵蚀之后对结果进行比较，以揭示氮化表面上存在碳化物。在图9中，碳化物在晶粒间界上的沉淀非常明显，所述沉淀采取不同程度的平行于氮化表面4的方式，如同形成“橙皮”图案。相反地，在图10中，可观察到不存在第一层1上碳化物的沉淀。
上述结果为此类产品满足优异目的的另一证据，由于现有技术101中材料内存在提及的“橙皮”赋予材料一定的皱褶，当具有工作负荷时，这些皱褶使高摩擦力作用使较高的张力能够扩展通过晶粒间界成为可能，所述晶粒间界将不可避免地试图卸载此类集中的能量，根据材料的韧性，这将引起裂纹扩展和随之发生的氮化层的剥落。
请注意，图10显示完全不存在碳化物沉淀，仅通过此唯一特性，就可证明所述材料明显更适于抵抗其将承受的工作负荷。正如所提及的，这在伴随应用的材料的氮化过程中是非常希望的特性，并且直至今天都显示这是非常难以获得的。出乎意料的效果再次出现。
以上图像的相关性使得必须提到韧性特性，并且为了更好地阐述该主题，我们必须观察图11中的硬度曲线图。
根据该硬度分布曲线图，我们可得出结论：现有技术中的活塞环101旨在保证氮化层区域中具有明显更优越的硬度。这意味着在从环表面到材料内部的约50微米(μm)的距离处，硬度高于1000维氏硬度值，并且在氮化层之后，硬度急剧下降，对于到表面大于80微米(μm)的距离处的，硬度约降低三倍。在过去几年间，这是流行并指导用于活塞的氮化活塞环的开发的范例。
本发明对象的优选但非强制性的具体化形式以出乎意料地不同方式表明，本发明的对象具有显著不同的硬度分布。所达到的最大硬度为接近800维氏硬度值并且具有降低行为，当其向金属基底3深入时几乎是线性的，对于距离表面（或距离第一涂层1的最外部，如果环被施加了另一涂层，我们将在以下进一步论述这一点）90微米(μm)的距离（深度）处具有约400维氏硬度值的值。因此，本发明的活塞环100的微观结构带来氮化基质的标准，其与典型的GNS环101相比极具创新性并且明显不同。
综合以上所述，图12的金相照片显示本发明的环对象，其中可识别两种不同的氮化层1、2，以及根据每个氮化层1、2的碳6和氮7的不同浓度的曲线，以更好地证明本发明100的环对象的出乎意料的和创新性的特性。
首先，通过图12观察本发明的对象的优选的但非强制性的具体化形式，可得出结论：氮化的第一层1在至多45微米(μm)的深度（在该例子中，为距离表面的距离，因为之后未施加涂层）具有在3重量%和6.5重量%之间变化的氮7浓度。对于此类方法而言，可认为这些值是正常的；然而，直至40微米(μm)的深度（在该例子中，为距离表面的距离，因为之后未施加涂层），碳6的值为0重量%，一种非典型的情况，从第一层1与第二层2的互连区域中开始增加，因为当第二层2开始时，其对应于距离表面50微米(μm)的深度（在该例子中，为距离表面的距离，因为之后未施加涂层），碳7的值升高至介于2重量%和3.5重量%之间的值。这些碳值存在于限定的第二层2中，直至约75微米(μm)的深度（在该例子中，为距离表面的距离，因为之后未施加涂层），在此之后，我们进入金属基底3的区域并且碳开始具有1.5重量%的值，这是合金所用的典型值，并且其中自然不再存在氮7。
人们可得到的最重要且最反常的观察结果来自导致本发明的氮化过程的特征(particularity)，并且它们显示，在氮化过程期间，第一层1上存在的所有碳6均被氮7“推挤”至第二层2，这一事实导致不存在碳化铁的沉淀，这可见于图10。由于此现象，从第一层1开始进行的碳6的全体化(totality)使得碳6致密化，这导致界限清楚的第二层2的形成。
这些创新性的特性使材料具有绝对需要的性质，这些性质已经过论述并且可通过观察图13和14部分地得以验证。
图13显示现有技术的氮化环101，其揭示刮痕试验的结果，其中除了弧形裂纹之外，还存在前向锯齿形张力(Forward Chevron Tensile)裂纹，这是易碎裂痕的指示。至于图14，其显示本发明的氮化环100的照片，该照片揭示刮痕试验中得到的多种结果之一，其中弧形裂纹的唯一存在证明其是比现有技术101更具韧性的材料。
作为一个例子，开发的产品优选但非强制地为活塞环，其可用作压缩环，金属基底主要由铁、更具体地由回火型马氏体不锈钢构成并具有高含量的铬（Cr超过8%），所述环经受氮化处理。与总是试图达到可能的最高程度的硬度（高于1100维氏硬度值(Hv)）以保证优良的耐磨性的现有技术的环101不同，本发明以不同的方式解决此问题，提供(present)最高约800维氏硬度值的表面硬度，并且代替现有技术中仅存在一个氮化层，其具有双级氮化，也就是说，总厚度为90微米(μm)的两个层1、2。
为本发明提供新颖性和创造性的该新颖的前所未闻的事实还可通过可获得的固有的技术文加以证实。根据在冶金学领域中闻名世界的最重要的指南和极具声誉的书籍-简编ASM 热处理手册(ASM Handbook of Heat Treating)（ASM手册第4卷，热处理(Heat Treating)），所有钢的氮化温度介于495℃和565℃之间。按照这些指示，不锈钢可容易地达到约1200维氏硬度值的表面硬度。根据该书，通过氮化层获得的硬度与活塞环的耐磨性直接相关（硬度越高，环的耐磨性越高）。
谨记上一段的前提且注意本发明的特性，我们注意到由于本方法的特征，本发明的环100经历了超越上述常规参数的氮化处理并且显示在抗剥落性方面令人倍感意外的结果，观察到在耐磨性特性方面（即，对于在弹性燃料发动机中的应用）没有损失。尽管本发明的环100的表面硬度为最高约800维氏硬度值，一个比现有技术的环101的典型的1100维氏硬度值低得多的值，但却获得了这些结果。
因此我们可总结出：所获得的是这样一种材料，其表面硬度远低于现有技术，一种即使具有较低的硬度也能赋予与现有技术相当的耐磨性的具有基本上线性行为的硬度，推出了阻止裂纹扩展并因此在应用于用于弹性燃料发动机运行的环时不会发生剥落的材料。这些结果证明，确定最大表面硬度（比现有技术的值低得多）的这些创新性相关事项(correlation)导致韧性增加。
另外重要的是，提到表面氮化处理现在导致两个明显的氮化层：第一层1和第二层2。这些层也具有新的行为，因为在第一层1上碳的存在为基本上0重量%，因为在氮化过程期间对氮的吸收促使碳从第一层1全部迁移至第二层2，这自然意味着此第二层2的碳重量百分比大于活塞环100的金属基底3的碳重量百分比。例如，对于金属基底上具有1.5重量%碳的钢而言，我们预期第二层2上的碳将增加到至少约2重量%。重要的是提到，在现有技术中，在氮化区域4中总是存在残留的碳。另外重要的是提到，在本材料中裂纹扩展变得不可行，因为正如我们可看到的（图3），从约600维氏硬度值的硬度开始，材料具有足够的韧性而不会使裂纹扩展。在本发明中，我们采用与该值非常接近的值，除了这一事实，即对在第一层1中碳化物的沉淀的抵制(immunity)也有助于抑制相应的裂纹扩展。
因此我们优选地但非强制性地具有如此的材料，其最大表面硬度为800维氏硬度值，并且在第一层的边缘，在于35微米(μm)和55微米(μm)之间的值范围内变化的深度处（在该例子中，为距离表面的距离，因为之后未施加涂层），该表面硬度线性降低至为至少约500维氏硬度值的值（参见图12）。接着是第二层2，其硬度继续前一层的线性行为，引起在最高约600维氏硬度值至最低400维氏硬度值的硬度之间变化的值，这些值见于最小约15微米(μm)至最大约30微米(μm)的的第二层的厚度之间，在氮化区域之后到活塞环的金属基底。
如之前提到的，本发明的范围还包括具有至少一个附加的涂层30的环100’，所述附加涂层30在后来施加于第一层1上。在此产品中，第一层1不再是外层，考虑到在其上施加后来的附加层30。因此，环100’现具有三个或更多个涂层。
之后施加在第一层1上的至少一个第三涂层30可具有任何组成、厚度并且甚至可通过任何沉积方法来施加，并且所得环100’将包括在本发明的保护范围内，即使因为此第三涂层30本身不具有任何创新特性。如以上所提到的，此环100’的特性是之前所提到的第一和第二层的厚度和组成的特性。
在此第二种变型中，至少一个第三涂层30的施加在造成第一层1和第二层2形成的氮化过程实现后发生。
因此，对于环的该第二种变型，以上提及的所有特性也均适用，然而，涉及深度的值、尤其是确定硬度的值不是从表面开始计，而是从其上施加了第三涂层30的第一层1的最外部开始计。因此：
(i)环100’的第二种变型达到的最大硬度接近800维氏硬度值并且当向金属基底3深入时具有几乎线性的降低行为，在从第一涂层1的最外部开始计的90微米(µm)的距离（深度）处具有约400维氏硬度值的值。
(ii)第一氮化层1具有在3重量%和6.5重量%之间变化的氮7浓度，从第一涂层1的最外部开始计最多45微米(μm)。
(iii)在从第一涂层1的最外部开始计的40微米(μm)的距离处，碳6的值为0%，在第一层1与第二层2的互连区域中开始增加,因为从第二层2开始，第二层对应于50微米(μm)的深度（从第一涂层1的最外部开始计），碳7的值突然高升至2重量%和3.5重量%之间的值。
(iv)所述碳值存在于限定的第二层2中，直至约75微米(μm)的深度（从第一涂层1的最外部开始计），此刻我们进入金属基底3的区域并且碳开始出现，具有1.5重量%的值，这是所用合金的典型值，并且其中自然不再存在氮7。
已描述了优选的具体化形式的例子，我们必须理解，本发明的范围包括其它可能的变型，仅受所附权利要求书的内容的限制，包括可能的等效物。

Claims (18)

1.氮化活塞环(100, 100’)，其具有由铁构成且与一个第一层(1)结合的金属基底，所述环的特征在于以下事实，其另外包括位于所述基底(3)与所述第一层(1)之间的一个第二层(2)，所述第一层(1)具有至少2重量%的氮和最大800维氏硬度值的硬度，所述硬度以基本上线性的方式变化，直至在从所述第一层的最外部开始计的85微米(μm)的深度处的400维氏硬度值的最小硬度，所述第二层(2)具有的碳的重量百分比大于所述基底(3)中存在的碳的重量百分比并且厚度为至少15微米(μm)。
2.根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述基底(3)由马氏体不锈钢的合金构成。
3. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第一层(1)对应于所述环的外部或外面的层。
4. 根据权利要求1或3的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第一层(1)具有低于0.05重量%的碳量。
5. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第一层(1)具有0重量%的碳量。
6. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第二层(2)具有等于或高于1.5重量%的碳百分比。
7. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第一层(1)具有35微米(μm)的最小厚度。
8. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，在从所述氮化活塞环的外表面开始计的55微米(μm)的深度处，其具有500维氏硬度值的最小硬度 。
9. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，在从所述第一层(1)的最外部开始计的55微米(μm)的深度处，其具有500维氏硬度值的最小硬度。
10. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，在从所述氮化活塞环的外表面开始计的60 μm的深度处，其具有600维氏硬度值的最大硬度。
11. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，在从所述第一层(1)的最外部开始计的60 μm的深度处，其具有600维氏硬度值的最大硬度。
12. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，在从所述氮化活塞环的外表面开始计的85微米(μm)的深度处，其具有400维氏硬度值的最小硬度。
13. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，在从所述第一层(1)的最外部开始计的85微米(μm)的深度处，其具有400维氏硬度值的最小硬度。
14. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第一层(1)不具有碳化物的沉淀。
15. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，所述第二层(2)不具有碳化物的沉淀。
16. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，其在所述第一层(1)的区域中不使裂纹扩展。
17. 根据权利要求1的氮化活塞环(100, 100’)，其特征在于，它们应用于弹性燃料发动机。
18. 根据权利要求1的氮化活塞环(100’)，其特征在于，其包括之后施加在所述第一层(1)上的至少一个附加的涂层(30)。
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