CN103946605B - 活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞环，其是为用于内燃机和/或压缩机的活塞凹槽中而特别设计的，该活塞环包括金属基体（10），所述金属基体具有处于其最终尺寸的倒角（15），并且该金属基体（10）上施加有仅由氮化物扩散层（5）构成的渗氮层，本发明无需后续的机械加工操作并且显著改善了部件的机械性质，特别是残余压缩应力和抗疲劳性方面的机械性质。

Description

活塞环

本发明涉及一种活塞环，其是为了用于内燃机和/或压缩机的活塞凹槽而特别设计的，该活塞环具有金属基体，在该金属基体的全部表面上施加有仅由扩散层构成的渗氮层。

背景技术

在具有一个或多个活塞（其布置在各气缸的内部,并且每个活塞均包括一个或多个环）的内燃机上，当发动机运行时，这些环会发生严重的应变。

确保环的耐磨性以使其能够具有长使用寿命的方式之一是将一层或多层覆层施加至基体金属上，在基体金属上构建覆层。由此，即使活塞在气缸内部经历数百万次的位移之后，针对耐磨损性和耐磨耗性而专门研发的覆层也能够维持环的性能特性。

活塞环中最常规的表面处理之一是通过在翼面（wing surface）上形成渗氮层而实现的，但也可以在环表面上沉积其他覆层。

应当注意的是，渗氮层包括两层：扩散层以及随后的由氮化铁相构成的白层。

现有技术的环与此相同，因此制造渗氮活塞环的常规工艺既具有扩散层也具有化合物层。其特征为：该白层非常坚硬、易碎，并且是多孔的。由此，活塞环的活动边缘（live edge）成为张力集中点。当这些区域包括渗氮白层时，张力集中程度显著增加，这会导致环更快断裂。

图1确切地示出了上述现象。仔细观察图1，其示出了裂缝是如何从左下方的倒角开始扩展到整个断面的，这是活塞环的典型情况。

虽然有证据表明压缩残余张力对于防止裂缝的产生是有利的，但是当它存在于活塞环的边缘处时，该压缩残余张力却是不同的情况。

如图2所示，在接近边缘区域的环表面上的渗氮层中产生了向量V1和V2。该边缘区域中向量V1和V2的压缩张力的组合产生了向量V3，这会促使部件形成裂缝，并且当该部件经受运行条件时，可能会导致部件断裂。

应当注意的是，活塞环还包括硬质膜，该硬质膜是通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）而生成的。在现有技术的方案中，将形成硬质膜的环表面需要除去硬质层中的化合物，以提高该硬质膜的粘附力。

通常，用于除去白层的方法需要通过磨削工艺对环进行机械加工。由于机械加工过程中会产生切削力，因此这些工艺被认为是潜在的裂缝形成因素。考虑到倒角区域中的渗氮层已经具有高残余张力，所述机械加工可能会导致在表面上形成微小的裂缝。假定活塞环受到了环形物理应力，那么微小的裂缝也可能会容易地导致部件断裂。

下表中所示的结果表明，对现有技术的渗氮层进行机械加工后残余张力升高。应当注意的是，机械加工后，渗氮后的残余张力升高了大约300MPa至大约600MPa。

表1：渗氮后和机械加工后的残余张力值之间的比较

为了改善渗氮活塞环（其当然也可具有硬质膜）的抗断裂性，已经提出了各种替代的解决方案。代表这类尝试的第一种现有技术是由美国专利6,698,736提出的，其涉及了这样一种活塞环：该活塞环中的渗氮层被从倒角区域中完全除去，因为该渗氮层的存在对抗断裂性是有害的。

因此，该文献公开了需要对具有活动边缘或带有极小倒角的环进行渗氮，否则不能完全除去这些区域中的渗氮层。如上文所说明的那样，这些区域是张力的高度集中点，此处的张力随着渗氮作用而升高。在此方面，美国专利6,698,736所提出的技术是有缺陷的，这是因为如果不能完全除去边缘处的渗氮层，那么残余渗氮层中所含有的残余张力将会削弱部件的抗断裂性。

另一个现有技术是由日本专利申请JP2002-061746提出的，其描述了这样一种活塞环，其具有铸铁或钢的金属基体。该环在外表面的轴中心区域中包括凹形部分，该外表面上形成有渗氮层。在除去倒角和拐角区域处的渗氮层后，将硬质陶瓷膜层沉积在该外表面上。正如上述专利的技术中提到的那样，通过机械加工或通过磨削工艺将渗氮层从拐角处除去以形成倒角。为了使该技术更加可行，所必需的是，拐角应当在接收渗氮层之前具有活动边缘，否则将不能完全除去渗氮层。因此，对具有高水平张力的渗氮活动边缘进行机械加工会导致形成裂缝，这将会损害环的耐受性，从而导致其断裂。

日本文献JP3090520公开了现有技术中针对上述问题提出的另一种方案。在该案中，不锈钢活塞环在其上、下表面及其内径上设置有渗氮层，在外周表面上还通过离子沉积法设有陶瓷膜。应当注意的是，在该案中，渗氮处理是在PVD之后进行的，因此PVD硬质膜将会成为妨碍渗氮进行的屏障。仅有PVD膜能够支承经受磨损的滑动面这一事实导致了该发明的缺陷。应当注意的是，如果PVD膜被完全消耗掉，那么在PVD膜下方将不存在能够继续承受磨损的渗氮层。因此，活塞环的寿命完全取决于PVD膜的耐久性，一旦PVD膜被耗尽，那么构成金属基体的软质材料将会暴露于气缸壁，从而导致环的磨损，由此造成发动机被损坏。

于是，现有技术提出的方案具有两个较大缺点，这两个缺点目前还不能被消除。一方面，在整个环上进行渗氮的技术中，需要进行能够将其完全除去的机械加工工序，以使所沉积的硬质陶瓷膜能够具有良好的粘附力。另一方面，硬质陶瓷膜直接沉积在活塞环的金属基体上这一事实所带来的缺点是：活塞环的寿命完全取决于PVD膜的耐久性。

因此，还没有发现这样的方案：该方案能够在活塞环的整个表面上进行渗氮，并且能够不借助于任何中间机械加工工艺而使硬质陶瓷膜具有良好的粘附力，即，使硬质陶瓷膜沉积在渗氮层上。

本发明目的

本发明的目的在于提供一种设计用于内燃机或压缩机上的活塞环，该活塞环经过特殊的渗氮表面处理，使得其渗氮表面中的至少一个表面将接受具有良好粘着力的硬质陶瓷膜，而不需要进行机械加工工序。

本发明的另一个目的在于提供一种活塞环，在该环上进行了渗氮表面处理，该环的倒角为其最终的几何形状，所述环能够将渗氮层的内在张力降至最低。

本发明的另一个目的在于提供一种活塞环，其将会确保所述活塞环具有更长的寿命，由此，当PVD膜被耗尽时，存在于PVD膜下方的渗氮层将能够使发动机在任何情况下进行运转。

发明内容

本发明的目的是通过这样一种活塞环而实现的，该活塞环尤其用于内燃机或压缩机的活塞凹槽中，该活塞环包括至少一个基本上为环形且主要由铁构成的金属基体、并且该金属基体上结合有渗氮层，该活塞环的至少一个外表面保持与润滑油膜接触并设置有至少一个倒角；在包括所述至少一个倒角的区域在内的整个基体表面上，所述渗氮层呈现出基本上一致的厚度；所述渗氮层仅由渗氮扩散层构成，所述渗氮扩散层保持与外部环境直接接触并且其残余张力在+100兆帕至-100兆帕范围内。

附图简要说明

本发明将会参照由附图示出的实施方案的实施例进行更加详细的说明，这些附图为：

图1为示出了裂缝区域的活塞环照片，所述裂缝导致了环的断裂；

图2示出了张力在活塞环的边缘区域中集中的行为；

图3示出了本发明的活塞环；以及

图4示出了本发明的活塞环。

具体实施方式

本发明涉及一种活塞环、特别是用于内燃机的活塞凹槽中的活塞环，该活塞环既可用作压缩环又可用作刮油环。

如上所述，为了使活塞环在数百万次的循环过程中保持其性能，用于形成活塞环的金属基体10需要经受适当的表面处理。

在本发明的情况下，活塞环将会经受至少一种特殊的渗氮处理。就这一点而言，应当注意的是，能与这种处理配合使用的活塞环的金属基体10应当主要由铁构成，并且可以使用铸铁、钢、不锈钢、马氏体不锈钢、或其他经证明可适用的合金。

本发明的活塞环的主要特征是由于以下事实所致，即：活塞环仅以其最终形式进行表面处理。换言之，该环在设置了最终尺寸的倒角15之后再进行特殊的渗氮处理，并且在该特殊渗氮处理之后不需要进行任何的机械加工工序。

由于部件不会经受由机械加工产生的额外的内在张力，因此该特征本身带来了优于现有技术的优势。另一方面，倒角15的尺寸可以更大，从而防止在环拐角处形成活动边缘，如图2所示，这能够防止张力高度集中。

可使用更大的倒角15与部件未经受机械加工工序这一事实的组合能够显著降低渗氮后部件的压缩张力。

为了达到这种结果，对于包括基本为环形的金属基体10的活塞环，其外表面11、12、13、14中的至少一者将保持与润滑油层（如外周面、内周面、上表面和下表面）接触。应当注意的是，外表面11、12、13、14包括或不包括处于其最终尺寸的倒角15（请见图3和4）。

就具有上述几何形状的活塞环而言，使金属基体10具有特殊的渗氮层。该渗氮层仅由两层渗氮层构成，所述两层渗氮层通常是通过现有技术施加的。因此，基体10的外表面具有仅由扩散层5构成的渗氮层，而未沉积现有技术中通常沉积到环上的白层。应当注意的是，为了达到本发明的结果，渗氮扩散层5的厚度应当在20微米至150微米的范围内。应当注意的是，渗氮扩散层5将与外部环境直接接触，即，它将与内燃机或压缩机的润滑油膜保持接触。

如已经描述的那样，白层非常坚硬、易碎且是多孔的，因此在现有技术的环的情况下，为了后续沉积硬质陶瓷膜，无论如何必须将白层除去。在本发明的情况下，金属基体上仅设置有渗氮扩散层5，如果想要在后续沉积硬质陶瓷膜，则不需要将渗氮扩散层5除去。

因此，为了改善机械性能，在沉积渗氮扩散层5之后，可在外表面11、12、13、14中的一者上直接沉积通过物理气相沉积（PVD）或通过化学气相沉积（CVD）形成的硬质陶瓷膜。

换言之，渗氮扩散层5上能够形成硬质陶瓷膜，从而保证两层覆层之间具有良好的粘着力。不存在白层使得能够防止出现粘着困难，也防止产生由常规渗氮所导致的高压缩张力，由此使本发明的活塞环在机械性能方面具有很多益处。

表2示出了多个台架试验（bench test），其证实了由本发明获得的在残余张力方面的优点。对样品进行测试以评价在渗氮后本发明的环的外部下倒角（outer lower chamfer）15处的残余张力（实施例3）相对于现有技术的环在渗氮后（实施例1）和在对倒角15进行机械加工后（实施例2）的结果。

表2：本发明的环和现有技术的环之间的残余张力的比较

可以看出，本发明表现出的残余张力值比现有技术的环低90%，这仅是因为渗氮是在已经具有倒角的环上进行的。该结果表明，对于本申请预期的应用而言，本申请具有完全理想的机械性能。因此显然的是，未形成白层对于本发明的成功是具有重大意义的。

通过仅利用扩散层对环的表面进行渗氮，不需要进行机械加工步骤，因此令人惊讶的是，机械加工后的残余张力数据比平均值低22倍。实际上，本发明的环所表现出的残余张力值在正值100MPa至负值100MPa（+100MPa至-100MPa）范围内，这是完全理想的。

与现有技术的环相比，本发明总是能够获得更好的结果。为了证实这一点，应当观察表3中所示的结果。

表3：对现有技术的环和本发明的环进行两百万次循环的台架试验

关于机械疲劳的以上表格表明，与现有技术的环相比，本发明的经过特殊渗氮处理的环有所改进。

应当观察到，与常规的环相比，本发明的活塞环在疲劳极限上已经提高了30%。本发明的环在900MPa的张力下能够承受两百万次循环，而现有技术的环只能在700MPa的最大张力下承受相同次数的循环。应当注意的是，在高于700MPa的张力下，现有技术的环在到达两百万次循环之前就会断裂。

总之，本发明能够防止出现现有技术中关于硬质膜缺乏粘着力方面的缺陷，使得能够直接沉积硬质膜以使其与渗氮扩散层5接触。另一方面，通过现有技术实施的渗氮在工艺水平上提供了改进，因为其能够在渗氮前制造更大的倒角15，而不需要后续的机械加工。除了制造水平方面简易之外，本发明的活塞环还获得了显著优于现有技术的机械性能，使得本发明的活塞环可以应用于更加苛刻的条件下。

已经对实施方案优选的实施例进行了说明，应当理解的是，本发明的范围还包括其他可能的变型，本发明的范围仅由所附的权利要求书的内容来限定，其包括可能的等价形式。

Claims (6)

1.一种活塞环，其用于内燃机或压缩机的活塞凹槽中，该活塞环包括至少一个基本上为环形的金属基体(10)，该金属基体(10)主要由铁构成并结合有渗氮层，该活塞环包括至少一个与润滑油层保持接触的外表面(11、12、13、14)并设置有至少一个倒角(15)，所述活塞环的特征在于：在包括所述至少一个倒角(15)的区域在内的所述金属基体(10)的全部表面上，所述渗氮层表现出基本一致的厚度；所述渗氮层仅由渗氮扩散层(5)构成，该渗氮扩散层(5)保持与外部环境直接接触并且具有+100兆帕至-100兆帕范围内的残余张力。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于：所述渗氮扩散层(5)的厚度范围为20微米至150微米。

3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于：至少一个外表面(11、12、13、14)上设置有施加于所述渗氮层上的硬质机械膜，该硬质机械膜是通过物理气相沉积或通过化学气相沉积形成的。

4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于：所述金属基体(10)是由不锈钢制成的。

5.根据权利要求2所述的活塞环，其特征在于：所述金属基体(10)是由不锈钢制成的。

6.根据权利要求3所述的活塞环，其特征在于：所述金属基体(10)是由不锈钢制成的。