CN105143494B - 耐磨损活塞环涂层 - Google Patents

耐磨损活塞环涂层 Download PDF

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Abstract

一种制造涂覆的活塞环的方法包括：对环主体的外表面涂覆一层铝基材料层，所述环主体由铁基材料，例如钢形成。通过热喷涂来涂覆铝基材料层。该方法进一步包括环保的热处理工艺，使铝基材料与环主体的铁基材料相结合，并且形成铝铁(Al5Fe2)的耐磨损涂层。热处理工艺包括加热到大约550℃持续20分钟，以使得耐磨损涂层达到维氏硬度(HV)1000的硬度。

Description

耐磨损活塞环涂层
相关申请的相互引用
本申请要求受益于2013年3月13日提交的，申请号为61/779425的美国临时专利申请，该申请的全部内容并入本文以作参考。
技术领域
本发明一般涉及用于内燃发动机的活塞环，具体涉及涂层活塞环，和制造该涂层活塞环的方法。
背景技术
往复式发动机(例如内燃发动机)的活塞一般包括放置于沿着活塞的外径的槽中的环。活塞环便于往复运动期间在缸膛中引导活塞。活塞环还密封燃烧气体和阻止燃油的上升通道。由于燃气负荷和自身固有负荷随着活塞环沿着缸膛移动，活塞环易受到磨损。相应地，活塞环一般有涂层或加以处理以提高耐磨性能。例如，活塞环可以是氮化的，涂覆有铬(例如六价铬)或涂覆有陶瓷。该涂层可以通过电镀或物理气相沉积(PVD)涂覆于活塞环。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种涂层活塞环。该活塞环包括环主体，该环主体包括铁基材料且该环主体围绕中心轴线周向延伸的。在环主体上布置耐磨损涂层，并且呈现活塞环的外径表面。耐磨损涂层包括铝铁(Al5Fe2)。
本发明的另一个方面提供了一种制造涂层活塞环的方法。该方法包括提供环主体，该环主体包括铁基材料且所述环主体呈现围绕中心轴线周向延伸的外表面。该方法进一步包括对环主体的外表面涂覆铝基材料层，并且加热该铝基材料。加热步骤形成包括铝铁(Al5Fe2)的耐磨损涂层。
在加热步骤期间形成的耐磨损涂层具有高硬度，例如维氏硬度(HV)1000。因此，当在往复式发动机中使用涂层活塞环时，涂层活塞环具有低磨损率。由耐磨损涂层提供的磨损率可能类似于电镀铬涂层的磨损率。然而，不同于铬涂层和用于涂覆铬涂层的电镀工艺，本发明的耐磨损涂层和制造涂覆的活塞环的方法是绿色和环保的。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述可以更好地理解本发明的其他优点，这些优点将容易察觉。
图1是根据一个示例性实施例的涂层活塞环的透视图；
图2根据一个示例性实施例示出了用于形成涂层活塞环的方法步骤；
图3是用于形成图1的涂层活塞环的，在加热步骤之前对环主体的外表面涂覆铝基材料的剖面图；
图4是根据另一个示例性实施例的呈现涂层活塞环的多个表面的耐磨损涂层的剖面图。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种用于往复式发动机应用(例如内燃发动机应用)的活塞环20的制造方法，该活塞环20包括耐磨损涂层22。图1表示根据一个示例性实施例的涂层活塞环20的一个例子，图2示出了用来形成涂层活塞环20的方法步骤。
该方法开始于提供由铁基材料(例如钢、钢合金、铸铁、铸铁合金、球墨铸铁、铸钢)或者能够处理往复式发动机环境的另一种铁基材料形成的环主体24。如图1所示，环主体24围绕中心轴线A周向地延伸。如图3所示，环主体24还呈现有外表面26、与外表面26相对的内表面28和将外表面26与内表面28相隔开的边缘表面30。在图1的示例性实施例中，环主体24被分离，使得其呈现沿着每个表面26、28、30的开口32。环主体24可以是全断面、半嵌入或全嵌入的。另外，沿着环主体24的外表面26形成至少一个槽34或多个槽34。
如图3所示，该方法接下来包括对环主体24的外表面26涂覆铝基材料层36。铝基材料通常是纯铝，但是也可以是铝合金或另一种铝基材料。涂覆到外径表面38的铝基材料层36一般具有15至25微米(μm)的厚度t1，但是也可以具有其他厚度t1。
用于将铝基材料涂覆到环主体24的外表面26的工艺一般是低成本工艺，例如喷涂。在一种示例性实施例中，使用等离子体喷雾工艺。该工艺包括将铝线或铝粉送入等离子流，其中铝被融化，并且接着将其推向环主体24的外表面26。可替换地，还可以使用另一种热喷涂工艺以将铝基材料层36涂覆到外表面26。尽管在图3中未示出，除了外表面26，还可以将铝基材料层36涂覆到环主体24的内表面28的至少一部分和/或边缘表面30的至少一部分。
在将铝基材料层36涂覆到外表面26之后，该方法包括加热层36和环主体24。加热步骤一般包括热处理工艺使得铝基材料层36与环主体24的铁基材料结合在一起，并且形成铝铁(Al5Fe2)。如图1和4所示，铝铁(Al5Fe2)提供活塞环20的耐磨损涂层22。耐磨损涂层22还可被称为复合层或金属间层。耐磨损涂层22一般包括52重量百分比(wt.％)至55wt.％的铝和45wt.％至48wt.％的铁。在一个示例性实施例中，当环主体24由钢组成，并且铝基材料层36是纯铝时，在加热或热处理期间形成的耐磨损涂层22基本上由铝铁(Al5Fe2)组成。然而，耐磨损涂层22的确切成分可依据所使用的铁基材料和铝基材料的类型而变化。在任何时情况下，耐磨损涂层22的主要成分是铝铁(Al5Fe2)。
加热步骤包括加热到一定温度并保持一定时间以足够形成铝铁(Al5Fe2)。加热步骤一般在无氧惰性环境(例如氮保护环境)中进行。加热步骤的时间和温度可依据环主体24的几何形状以及铝层36的厚度t1而变化，但是在每种情况下，时间和温度都足以形成铝铁(Al5Fe2)。在一个示例性实施例中，加热步骤一般包括加热到大约550℃的温度并保持20分钟。加热步骤还包括保持加热直到耐磨损涂层22具有维氏硬度1000的硬度。加热步骤之后的耐磨损涂层22的厚度t2一般为15至50微米。尽管图4表示环主体24的铁基材料和耐磨损涂层22之间的鲜明对比，铁基材料可以逐渐地转化为铝铁(Al5Fe2)，铝基材料可以逐渐地转化为铝铁(Al5Fe2)，从而使得活塞环20包括梯度结构(gradient structure)。
本发明的另一方面提供了一种包括耐磨损涂层22的涂层活塞环20。活塞环20包括环主体24，该环主体24包括围绕中心轴线A周向地延伸的铁基材料。铁基材料一般包括钢、钢合金、铸铁、铸铁合金、球墨铸铁、铸钢，或者能够处理往复式发动机环境的另一种铁基材料。在一个示例性实施例中，环主体24被分离，使得其呈现沿着每个表面26、28、30的开口32。环主体24可以是全断面、半嵌入或全嵌入的。如图1所示，沿着外表面26，环主体24还呈现至少一个槽34或多个槽34。
最好如图4所示，包括铝铁(Al5Fe2)的耐磨损涂层22提供活塞环20的外径表面38。同样如图4所示，如果对环主体24的边缘表面30涂覆铝基材料，接下来耐磨损涂层22提供完成的活塞环20的侧表面42。同样如图4所示，如果对环主体24的内表面28涂覆铝基材料，接下来耐磨损涂层22还提供完成的活塞环20的内径表面40。在加热步骤之后的耐磨损涂层22的厚度t2一般为15至50微米。
然而，环主体24的铁基材料可以提供完成的活塞环20的内径表面。在这种情况下，完成的活塞环20的内径表面与环主体24的内表面28相同。活塞环20的铁基材料还可提供将内径表面与活塞环20的外径表面38间隔开的侧表面。在这种情况下，完成的活塞环20的侧表面与环主体24的边缘表面30相同。
耐磨损涂层22包括铝铁(Al5Fe2)，优选地大部分由铝铁(Al5Fe2)所组成，或者完全由铝铁(Al5Fe2)所组成。耐磨损涂层22还被称为复合层或金属间层。耐磨损涂层22一般包括52wt.％至55wt.％的铝和45wt.％至48wt.％的铁。在一个示例性实施例中，当环主体24由钢组成，并且铝基材料是纯铝时，耐磨损涂层22由铝铁(Al5Fe2)所组成。然而，耐磨损涂层22的确切成分可依据所使用的铁基材料和铝基材料的类型而变化。在任何时情况下，耐磨损涂层22的主要成分是铝铁(Al5Fe2)。
热处理步骤提供了具有通常为维氏硬度1000的高硬度的耐磨损涂层22。因此，由该耐磨损涂层22提供的磨损率较低，并且可能类似于电镀铬涂层的磨损率。然而，不同于铬涂层和用来涂覆铬涂层的电镀工艺，本发明的耐磨损涂层22和形成耐磨损涂层22的工艺是绿色和环保的。
涂覆的活塞环20一般被放置在沿着活塞的外径的槽中以便于在缸膛(未示出)中的往复运动期间引导活塞，同时还能密封燃烧气体并且抑制燃油的向上通道。涂覆的活塞环20可被放置于相邻于或其他涂层活塞环或无涂层的活塞环之间。
明显地，除了具体描述的内容，按照上述教导，本发明的许多修改和变化都是可行的，并且可以实施，也落入附加权利要求的范围。另外，权利要求中的参考标记仅是为了便利而不应当被认为是任何方式的限制。

Claims (16)

1.一种活塞环，其特征在于，包括：
由钢组成的环主体，所述环主体围绕中心轴线周向地延伸；和
布置在所述环主体上的耐磨损涂层，并且所述耐磨损涂层呈现于所述活塞环的外径表面，所述耐磨损涂层基本上由Al5Fe2组成，所述耐磨损涂层包括重量百分比(wt.％)为52至55的铝和重量百分比为45至48的铁；其中所述活塞环通过以下方法制成：
对所述环主体的外径表面涂覆铝基材料层；
加热所述铝基材料层；和
所述加热步骤包括形成Al5Fe2的耐磨损涂层，所述加热步骤包括将所述铝基材料加热到550℃的温度保持20分钟；
对所述环主体的外径表面涂覆所述铝基材料层的步骤包括热喷涂工艺。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨损涂层具有维氏硬度1000的硬度。
3.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨损涂层具有15至50微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨损涂层被热处理。
5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述钢呈现于与所述外径表面相对的所述环主体的内表面。
6.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨损涂层呈现于与所述外径表面相对的内径表面和将所述内径表面与所述外径表面相隔开的侧表面两者之中的至少一个的至少一部分。
7.一种制造活塞环的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供包括铁基材料的环主体，所述环主体呈现内表面和相对的外表面，所述内表面和所述外表面的每一个围绕中线轴线周向地延伸；
对所述环主体的所述外表面涂覆铝基材料层；
加热所述铝基材料层；和
所述加热步骤包括形成Al5Fe2的耐磨损涂层，所述加热步骤包括将所述铝基材料加热到550℃的温度保持20分钟；
对所述环主体的外表面涂覆所述铝基材料层的步骤包括热喷涂工艺。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加热步骤在无氧惰性环境中进行。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热喷涂工艺包括等离子体喷涂。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述加热步骤期间所述铝基材料与所述铁基材料组合以形成所述耐磨损涂层。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述环主体的外表面涂覆所述铝基材料层的步骤包括涂覆所述铝基材料到15至25微米的厚度。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述耐磨损涂层具有维氏硬度1000的硬度。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述耐磨损涂层包括52至55重量百分比的铝和45至48重量百分比的铁。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述铁基材料由钢或铸铁组成；所述铝基材料由铝组成。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述铁基材料由球墨铸铁或铸钢组成；所述铝基材料由铝组成。
16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述环主体包括将所述内表面与所述外表面间隔开的边缘表面；并且将所述铝基材料涂覆到所述内表面和所述边缘表面中的至少一个的至少一部分。
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