CN105074295A - 具有局部氮化涂层的活塞圈 - Google Patents

Abstract

一种活塞圈(100)，包括上面(110)、下面(112)、内周壁(113)以及外周壁(114)，外周壁绕所述活塞圈从所述上面延伸至所述下面，所述外周壁具有布置成邻近所述上面的上拐角(118)区域、布置成邻近所述下面的下拐角(120)区域以及在所述上拐角区域和所述下拐角区域之间延伸的氮化转换层(122)的带，其中，PVD氮化物层(128)布置在所述上拐角区域以及所述下拐角区域上。

Description

具有局部氮化涂层的活塞圈

技术领域

内燃机的动力气缸组件大致包括布置在柱形腔室或者气缸内的往复活塞，腔室或者气缸具有一个关闭端部以及一个开口端。活塞的上端部或者塞冠与气缸的关闭端部一起限定了燃烧室，在燃烧室中发生燃料的燃烧。

背景技术

内燃机用的许多活塞具有三个活塞圈，每个活塞圈位于环形凹槽中，该环形凹槽限定在活塞靠近冠部的壁的端部。最靠近冠部的两个活塞圈公知作为压缩圈。最上方的压缩圈在燃烧空气燃料混合物期间密封燃烧室防止渗漏以及从燃烧室传递热至气缸壁。在三个活塞圈中，上压缩圈操作于在压力、温度以及最小润滑方面残酷的环境中。

活塞中的上压缩圈大致是裂口圈。其被压缩以安装在气缸内。当发动机操作时，活塞以及活塞圈遭受极限残酷条件，包括高压以及高温以及重复的急速往复移动。随着活塞在气缸内移动，活塞圈接触气缸壁并且抵靠气缸壁上下移动。活塞和活塞圈在气缸内的往复运动连同高操作压力以及高温会使活塞圈受到磨损以及可能发生故障。因为当活塞处于内燃机中适当位置时活塞圈难以访问，所以替换活塞圈会是非常贵且耗时的。因此，重要的是，活塞圈要是耐久的以及耐刮擦和磨损的。

为了增加活塞圈的耐久性以及使活塞圈承受它们所遭受的残酷条件，非常硬的材料可以用来涂覆活塞圈的外周。压缩圈可以碰到最高温度以及压力，通常涂覆有氮化铬或者类似硬涂层以增加耐久性。该硬的外涂层可以通过物理气相沉积(PVD)或者通过其他公知机构施加。

活塞圈上的硬涂层直接沉积在活塞圈相对软的衬底材料上，从而创建了各层间急剧的硬度过渡。这会导致增加活塞圈的硬外层破裂的风险。此外，涂层材料可能是脆性的，因此容易破裂，尤其是在活塞圈的外拐角处。一旦破裂开始形成在活塞圈中，它们会传播，并且能够最终导致活塞圈的断裂以及故障。

活塞圈外拐角处的韧性表面可以增加活塞圈的耐久性。但是，还重要的是要保持硬表面在活塞圈的外周的剩余部分以降低磨损。

附图说明

现在参考附图讨论本公开系统的示意方案以及详细示出了方法。虽然附图代表一些可能方案，但是附图不必须是成比例的，特定特征可以夸大、移除或者局部分解以更好地图示以及解释本公开。此外，此处提出的说明不旨在是排他性的，或者将权利要求限制为附图示出及以下详细说明公开的精确形式和构造。通过参考以下附图详细描述示范示例：

图1是使用公开的处理制造的示范活塞圈的一部分的立体图；

图2是描述制造示范活塞圈中使用的这些步骤的流程图；

图3是使用公开的处理制造的示范活塞圈的一部分的立体图，示出了活塞圈的外周壁的面中的环形腔室；

图4是图3的示范活塞圈的立体图，在氮化转换层已经布置在活塞圈上之后，但在最终磨削以及通过物理气相沉积沉积氮化物层之前；以及

图5是图4的示范活塞圈的立体图，在对其执行第二磨削之后，从而从拐角区域移除氮化转换层。

具体实施方式

参考图1，活塞圈100是大致环形的裂口圈，具有上面110、下面112、内周壁113以及外周壁114。外周壁114绕活塞圈100的外周从上面110延伸至活塞圈100的下面112。活塞圈100的上拐角118沿活塞圈100的外周壁114的长度延伸，并且由外周壁114和活塞圈100的上面110的接合限定。类似地，活塞圈100的下拐角120沿着活塞圈100的外周壁114延伸并且由外周壁114和活塞圈100的下面112的接合限定。

氮化转换层122可以封闭活塞圈100的很多外表面，包括活塞圈100的内周壁113、上面110以及下面112。氮化转换层122的带124可以沿着活塞圈100的外周壁114的长度延伸。转换层122的带124具有上边缘132和下边缘134，它们都可以沿着转换层122的带124以及活塞圈100的外周壁114之间的边界沿着外周壁114的长度延伸。带124可以具有大致共面于外周壁114的外表面140。转换层122的带124可以具有顶表面142以及底表面144以及周表面146，顶表面142以及底表面144都大致垂直于外周壁114，周表面146大致平行于外周壁114。

氮化转换层122可以通过在高温下暴露活塞圈100至离解氨达特定时间形成，或者通过任何其他合适的方式形成。转换层122可以形成在活塞圈100的所有暴露表面上。当转换层122通过暴露至离解氨气体而形成时，铬是需要的。因此，为了利于形成转换层122，活塞圈100可以由铬-轴承不锈钢制成。虽然活塞圈能够由其他材料制成(包括铸铁、灰铁以及其他)，但是这些材料可能不适合于该氮化处理，因为它们不包含合适量的铬。在形成转换层的处理期间，离解氨气体中的氮贯穿活塞圈100的不锈钢的外部层，从而将不锈钢中的一些铬转换为氮化物，从而创建硬化的氮化转换层122。当初始形成时，转换层122在活塞圈100的所有外表面上大致是统一的厚度。

所选的不锈钢可以具有约10％至18％的铬以确保存在足够铬生产充分厚和持续的氮化转换层。活塞圈可以由马氏体不锈钢制成，尤其由440系列不锈钢的合金制成。因氮化活塞圈100所产生的转换层122可以具有的罗氏硬度为约65或更多。虽然转换层122非常硬，但是它还是脆性的，并且当遭受应力时可能破裂或者断裂。

在活塞圈100的一个示范例子中，活塞圈100的上拐角区域136可以沿着活塞圈100的外周壁114的长度从活塞圈100的上拐角118延伸至转换层122的带124的上边缘132。类似地，活塞圈100的下拐角区域138可以沿着活塞圈100的外周壁114的长度从活塞圈100的下拐角120延伸至转换层122的带124的下边缘134。

通过物理气相沉积(PVD)沉积的氮化物层128可以覆盖外周壁114和转换层122的带124，包括上拐角区域136和下拐角区域138，并且可以沿着活塞圈100的外周从外周壁114的上拐角118延伸至下拐角120。PVD氮化物层128可以在转换层122之上于上面110以及下面112上延伸短距离。

因为转换层122可能是脆性的并且易于破裂，所以转换层122不在外周壁114的上和下拐角区域136、138上面延伸，从而降低了活塞圈100的上和下拐角区域136、138破裂的可能性。相反，在上和下拐角区域136、138中，PVD氮化物层128直接位于活塞圈100的衬底材料上。在上和下拐角区域136、138之间的外周壁114的中央部分并且沿着外周壁114的周边延伸，转换层122的带124提供了硬涂层，从而使活塞圈100耐磨损。

环形腔室126可以位于原始材料的外周壁114中或者原始制造活塞圈100的线中。可替换地，环形腔室126可以在活塞圈已经形成之后接地或加工在活塞圈100的外周壁114中。环形腔室126可以沿着外周壁114的长度在上和下拐角区域136、138之间延伸。转换层122在活塞圈100的外表面(包括上和下拐角区域136、138)上以及在围绕环形腔室126的区域中形成大致统一的厚度。

在转换层122已经布置在活塞圈100的外表面上之后，可以执行第二磨削或者机加工处理。在第二磨削或者机加工处理期间，转换层122可以从上和下拐角区域136、138移除，留下转换层122的带124位于上和下拐角区域136、138之间。在第二磨削期间可以降低转换层122的带124的厚度。

在第二磨削期间外周壁114可以被磨削成轮廓。通常，外周壁114将具有稍微导圆或者所谓的圆筒轮廓，外周壁114的中央部分从上和下拐角118、120大致向外延伸。外周壁114可以是导圆对称的("对称圆筒")，或者其可以是导圆非对称的("非对称圆筒")，下拐角120比上拐角118从活塞圈100的内周壁113稍微向远处延伸。其他形状轮廓也是可以的，诸如锥面。

一旦已经完成第二磨削，转换层122的带124的外表面140可以大致共面于沿着活塞圈100的外周壁114延伸的上和下拐角区域136、138的一部分。

氮化物层128可以通过物理气相沉积(PVD)沉积在外周壁114上，包括沉积在转换层122的带124的外表面140上以及在上和下拐角区域136、138上。如果外周壁114具有稍微外形轮廓，外周壁114上的PVD氮化物层128将具有相同外形。PVD氮化物层128可以是氮化铬、氮化钛或者任何其他合适的氮化化合物。PVD氮化物层128可以绕上和下拐角118、120延伸稍微量，延伸到转换层122上以及活塞圈100的上面110以及下面112上。PVD氮化物层128直接布置在活塞圈100的外周壁114的不锈钢衬底上位于上和下拐角区域136、138处，位于外周壁114中的转换层122的带124的外表面140上。PVD氮化物层128可以薄于转换层122。PVD氮化物层128还耐磨损，并且可通过降低活塞圈100的外周壁114的磨损来增加活塞圈100的耐久性。

现在参考图2，为了制造此处描述的示范活塞圈，提供了活塞圈100。活塞圈100可以是不锈钢。可以对活塞圈100的外周壁114执行初始磨削，如块201中描述的以形成环形腔室126。可替换地，用来制造活塞圈100的线可以具有布置在其内的环形腔室。如果初始磨削是对外周壁进行，则在初始磨削期间将活塞圈100的上和下拐角区域保持相对完好，而中央部分被接地并且移除材料，从而导致带有环形腔室126的外周壁114布置在两个升高部分之间，如图3所示。外周壁114可以在此时间磨削形成轮廓。

一旦环形腔室已经布置在活塞圈100的外周壁114的中央部分，留下相对升高的上和下拐角区域136、138，转换层122可以形成在活塞圈100的外表面上。转换层122可以由通过在高温下暴露至离解氨气体达延长时间段或者通过任何其他常规方式，氮化活塞圈的外表面而形成，如图2的块202描述的及图4图示的。转换层122可以以大致统一厚度层的方式在活塞圈100的外表面上延伸，包括上面110、下面112、内周壁113以及外周壁114，包括环形腔室126和相对升高的上和下拐角区域136、138。

在转换层122已经形成在活塞圈100上之后，对活塞圈100进行第二磨削，如块203描述的。第二磨削从活塞圈100的外周壁114移除转换层122的一部分。第二磨削中移除的材料包括布置在上和下拐角区域136、138中的转换层122的一部分以及布置在上和下拐角区域136、138之间的转换层122的带124的外层。该磨削还可以在活塞圈100的外周壁114上形成稍微轮廓。如图5所示，一旦已经完成第二磨削，从活塞圈100的上和下拐角区域136、138在外周壁114上已经移除转换层122，从而暴露活塞圈100的基底材料，同时留下转换层122的带124位于外周壁114中上和下拐角区域136、138之间。这将允许PVD氮化物层128直接沉积在上和下拐角区域136、138中的活塞圈100的衬底材料中，以及沉积在外周壁114上的转换层122的带124的外表面140上。可以在第二磨削期间选择性地移除转换层122在上面110以及下面112上邻近上和下拐角118、120的部分。

在已经完成第二磨削之后，转换层122的带124可以薄于其初始形成时。转换层122的带124的外表面140可以大致共面于上和下拐角区域136、138的与活塞圈100的外周壁114一致的部分。

一旦已经完成第二磨削，PVD氮化物层128沉积在外周壁114上，如块204描述的以及图1图示的。PVD氮化物层128可以是氮化铬、氮化钛或者任何其他合适的氮化化合物。PVD氮化物层128沿着外周壁114的长度从活塞圈100的上拐角118延伸至下拐角120。PVD氮化物层128还可以延伸距离超过上拐角118到达上面110以及距离超过下拐角120到达活塞圈100的下面112。

外周壁114中转换层122的带124提供了强度以及磨损阻力至活塞圈100的外周壁114、但不覆盖上和下拐角区域136、138，其中，脆性层诸如转换层会易于破裂形成。PVD氮化物层128直接沉积在上和下拐角区域136、138中的活塞圈100的衬底材料。

最终活塞圈100具有外周壁114，上和下拐角区域136、138延伸了外周壁114的长度。转换层122的带124布置在活塞圈衬底上，位于上拐角区域136和下拐角区域138之间。PVD氮化物层128从上拐角118延伸至活塞圈100的外周壁114的下拐角120，从而覆盖上拐角区域136、PVD氮化物层122的带124以及活塞圈100的下拐角区域138。PVD氮化物层128还可以延伸短距离到氮化转换层122顶部的上面110以及下面112中。

关于此处描述的处理、系统、方法、原理等，应该理解的是，虽然这种处理的这些步骤等描述为根据特定次序顺序发生，但是这种处理能够以除了此处描述的次序意外的次序执行所描述的步骤。进一步应该理解的是，特定步骤能够同时执行，可以添加其他步骤，或者能够省略此处描述的特定步骤。换句话说，此处的处理的说明的目的是示出特定实施例，绝不应该理解为限制要求保护的权利要求。

因此，应该理解的是，上述说明旨在是示意性的而非限制性的。阅读上述说明后可以提供例子之外的许多实施例以及应用。旨在期望的是，此处讨论的领域可以出现其他发展，公开的系统和方法将并入这种将来的实施例中。总之，应该理解的是，本发明能够修改和变化。

权利要求中使用的所有术语旨在给定它们最广的合理构造，它们的通用意思是本领域技术人员理解的意思，除非明确说明与违背。尤其，使用数量词如"一"、"一个"、"所述"等应该理解为记载的是一个或多个指示的元件，除非权利要求明确限制相反。

Claims (17)

1.一种活塞圈，包括：

上面；

下面；

内周壁；以及

外周壁，其绕所述活塞圈从所述上面延伸至所述下面；

其中，所述外周壁具有布置成邻近所述上面的上拐角区域、布置成邻近所述下面的下拐角区域以及沿着所述上拐角区域和所述下拐角区域之间的所述外周壁延伸的氮化转换层的带；以及

其中，所述上拐角区域和所述下拐角区域具有与所述外周壁一致的外表面。

2.根据权利要求1所述的活塞圈，其中，所述活塞圈由不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的活塞圈，其中，所述氮化转换层具有外表面大致共面于所述上拐角区域和所述下拐角区域的与所述外周壁一致的表面。

4.根据权利要求1所述的活塞圈，其中，PVD氮化物层由物理气相沉积形成并且布置在所述上拐角区域以及所述下拐角区域上。

5.根据权利要求4所述的活塞圈，其中，所述PVD氮化物层是氮化铬以及氮化钛之一。

6.根据权利要求4所述的活塞圈，其中，所述PVD氮化物层进一步布置在所述外周壁中的所述氮化转换层上。

7.根据权利要求6所述的活塞圈，其中，所述PVD氮化物层具有的表面轮廓为对称圆筒轮廓或者非对称圆筒轮廓。

8.根据权利要求4所述的活塞圈，其中，所述PVD氮化物层延伸入所述上面和所述下面中至少一个的一部分。

9.根据权利要求6所述的活塞圈，其中，所述PVD氮化物层大致薄于所述外周壁中的所述氮化转换层。

10.一种制造耐裂活塞圈的方法，包括：

提供活塞圈，其中，所述活塞圈具有上面、下面、内周壁以及绕所述活塞圈从所述上面至所述下面延伸的外周壁；所述外周壁具有布置成邻近所述上面的上拐角区域、布置成邻近所述下面的下拐角区域以及环形腔室，所述环形腔室沿着所述外周壁的长度位于在所述上拐角区域和所述下拐角区域之间延伸的所述外周壁的中央部分；

在活塞圈上形成氮化转换层；

对活塞圈执行磨削处理，从而移除一些所述氮化转换层；以及

在所述活塞圈的外周壁上沉积PVD氮化物层。

11.根据权利要求11所述的方法，其中，所述活塞圈是不锈钢。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述活塞圈的所述上面和所述下面上执行梯形磨削。

13.根据权利要求11所述的方法，第二磨削包括从所述上拐角区域和所述下拐角区域移除所述氮化转换层，从而暴露底下的活塞圈。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述PVD氮化物层是氮化铬以及氮化钛之一。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，在表面上沉积所述PVD氮化物层包括沉积所述PVD氮化物层在上下拐角区域之间布置于所述活塞圈的中央部分的所述氮化转换层上，以及沉积所述PVD氮化物层在底下的活塞圈的所述上拐角区域和所述下拐角区域上。

16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述PVD氮化物层上形成一个对称圆筒轮廓以及非对称圆筒轮廓。

17.一种活塞圈，包括：

上面；

下面；

内周壁；以及

外周壁，其绕所述活塞圈从所述上面延伸至所述下面，所述外周壁包括：上拐角区域，其布置成沿着所述外周壁的长度邻近所述上面并且具有与所述外周壁一致的外表面；下拐角区域，其布置成沿着所述外周壁的长度邻近所述下面并且具有与所述外周壁一致的外表面；以及氮化转换层的带，其布置在所述上拐角区域和所述下拐角区域之间并且沿着所述外周壁的长度延伸，并且具有的外表面大致共面于所述上拐角区域和下拐角区域的外表面；以及

PVD氮化物层，其布置在所述外周壁并且沿着所述外周壁的长度从所述上面延伸至所述下面，并且覆盖上拐角区域和下拐角区域和所述氮化转换层的外表面。