CN105190126A - 活塞圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用在内燃机上的活塞圈(10)，尤其，圈(10)具有：金属基底(1)，其中其端部的外部分接收随后施加的两个层以提供较大耐磨性；中间层(2)，其优选包括通过超音速热喷涂(HVOF)施加的氮化铬(CrN)；以及外层(3)，其包括通过物理气相沉积(PVD)施加的氮化铬(CrN)。

Description

活塞圈

技术领域

本发明涉及一种用于使用在内燃机上的活塞圈，更尤其涉及一种设置有金属基底的圈，其中，其端部的外部部分接收随后施加的两个层以提供较大耐磨性。

背景技术

一般而言，每个内燃机无论其在2冲程或者4冲程中以狄塞尔循环还是奥托循环操作，均包括至少一个具有其相应圈的活塞。

活塞圈是执行密封发动机套筒和活塞之间的空间、隔离其他内部发动机部件与燃烧室的功能的零件。该元件径向布置在活塞顶部，防止燃烧气体朝向曲柄箱体逃出燃烧室并且防止发动机油在反向方向上渗透燃烧室。存在多于一个围绕单个活塞的活塞圈，使用平行布置在活塞顶部的三个圈是很常见的。

通常，现有技术的活塞圈10'包括两个端部4'之间的开口，甚至当它们安装在活塞上并且被气缸限制时，正如此文献的图1所示。在其他功能之中，在绕着活塞(图中未示出)安装现有技术的活塞圈10'期间开口是有用的。开口提供了访问至构造为打开圈10'的工具，从而扩大其内径超出活塞的外部径向限制，因而能够使其访问至圈凹槽，即，凹槽在收纳圈的活塞的外面。

总之，活塞圈应该具有良好的密封能力，为了在发动机的整个寿命中保证该特性，活塞圈应该呈现适当的机械稳定性、断裂强度，还应该相对于其摩擦对呈现适当的耐磨性，摩擦对即用于其接触面的气缸和用于其侧接触面的活塞凹槽。侧面以及接触面的过度磨损最终引起燃烧室的密封主要功能的退化，并且导致发动机的功能条件突然退化。

对活塞圈的磨损提供解决方案的许多努力已经导致开发了涂层和表面处置，它们给予更好耐磨性，同时直接影响发动机的耐久性。

而且，还公知的是，活塞圈的设计(也即，其三维几何学形式)能够通过控制活塞圈的磨损并且提供适当的压力分配来贡献于发动机的较长使用寿命，因而提供沿着活塞圈的周表面或者功能表面的较大磨损同质性。

在活塞圈、尤其压缩圈(或者第一凹槽圈)的磨损方面，部件的最受影响零件是接触气缸的圈表面的区域。整个该接触表面(下文称为外径向面)存在承受甚至比该外径向面承受的平均磨损更大的磨损的指定部分：靠近圈端部的区域(称为关键区域11见图4)。尤其是，由于三个主要因素，这增加了磨损，三个主要因素即：制造圈的处理、发动机的机械加载、以及在发动机的操作期间应用至该圈的加热条件。

考虑到目前发动机在环境影响和输出方面承受更高需求，所有发动机部件应该执行它们的功能，但是以要求更高的方式，由于更严格的作业条件或者在操作之后积聚在部件上的更低水平的最终破坏，在本文的内容中活塞圈也不例外。在这方面，需要延长活塞圈的使用寿命，更尤其在端部区域。该磨损特别标记在重型柴油机发动机(HDD)中。

使用在现有技术中以给予这些零件较大表面阻力的一种表面处置操作是物理气相沉积处理，例如，其能够在周表面上沉积大约30微米的氮化铬层，该周表面接触包括圈10'的端部区域4'的气缸。

文献US2004056425提出了一种现有技术，该现有技术提议尝试解决磨损活塞圈端部的问题，该文献描述了低成本的圈制造方法并且提供了用于端部的磨损的对抗措施。在该技术中，膜沉积至外表面或者滑动表面，此处在端部区域处的膜厚度(顶点)大于相邻区域(见图1)的膜厚度。能够通过物理气相沉积(PVD/DFV)或者通过化学气相沉积(CVP/DQV)施加涂层，其中，为了保证在端部的较大涂层厚度，端部区域比圈的剩余区域暴露地更长。

但是，应该注意的是，PVD/CVD处理在涂层的最终厚度方面具有较大限制。虽然存在参考具有较大厚度的涂层的一些情况，但是，通常，厚度不大于30微米。无论如何，因为由于厚度涂层承受增加的张力，所以较厚涂层将具有较差性能，还损失层的材料的属性，当人们获得厚度大于30cm的层时该层会妨碍耐磨性。而且，虽然文献提到采用低成本的处理，但是公知的是，PVD/CVD处理相对昂贵，并且显然的是厚度越大对最终价格的影响越大。

为解决在活塞圈的端部区域过度磨损的问题还进行了其他尝试。这种解决方案能够发现在文献JP2000120866、DE102008035148、US2010090416和US200204107中，这些文献提到几何学关系，所用的观点是减小在作业条件期间在活塞圈的端部中的接触压力面积，考虑的这些解决方案能够在活塞圈的所述端部区域降低磨损。

虽然该理论看起来具有合理的技术基础，但是，公知的是，这种途经不能解决在圈端部高磨损的问题。换句话说，利用PVD/CVD涂层强加于圈的基底材料的解决方案是使用几何学途经的解决方案。

发明内容

因而，本发明提供的新方案是，在端部区域涂覆有具有确定厚度的层，该层沉积在另一层上。

因此，本发明的目的是提供压缩圈，压缩圈将抵抗圈端部的滑动区域中的磨损以便防止暴露活塞圈的基底材料的暴露。

本发明的目的还在于，提供具有金属钢基底的活塞圈，活塞圈包括具有高耐磨性的层，该层通过热喷涂方法生成在圈的端部区域，同时随后沉积通过PVC生成的氮化铬构成的另一层。

正如上文陈述的本发明的另一目的在于以竞争性成本提供圈。

本发明的目的的实现是通过提供具有金属基底的活塞圈，外滑动层关联于该金属基底，中间层定位于基底和外层之间，外层和中间层专门存在于圈的每个端部区域的外径向面上。

附图说明

现在将参考示出于附图的实施例更详细地描述本发明。附图示出了：

图1是现有技术的活塞圈；

图2是本发明的活塞圈；

图3是本发明的活塞圈的细节；以及

图4是在圈的端部区域现有技术的活塞圈的磨损的例子。

具体实施方式

本发明提出了一种用于内燃机的活塞圈10，更尤其一种用于重型柴油机发动机的压缩圈。

正如公知的，这种发动机的要求相当高，由于在外皮端部区域的高磨损，这引起它们的压缩圈的过早故障。本发明提出了新颖的压缩圈10，其能够在端部区域4抵抗磨损，而不暴露圈的基底材料，因而以降低的成本维持高的成形能力。

为此，本发明的圈10利用金属基底(钢，铸铁或者铝)，基底材料设置有化学成分，化学成分特别设计成用于施加中间层2，该层是耐磨损材料的层，优选氮化铬，但不限于该材料，该中间层通过热喷涂处理施加，优选通过高速喷涂施加，包含作为增碳剂的氧气(HVOF)，其中，外层3通过物理气相沉积(PVD)，优选用CrN施加至该中间层2，但是并不仅限制于该材料，其他氮化物是可选的，例如，Ti、W或者甚至碳化物可以用作圈的接触表面的最终涂层材料。人们还可以使用具有多层构思的涂层，包含纳米构思或者不包含纳米构思。

为了更好的理解，参见图2和图3。这种涂层施加至活塞圈10的每个端部区域4的外径向面。为了该目的，接收该图层的部分被挖槽或者被切削，使得在施加涂层之后，圈尺寸将不显著变化。

在施加位于活塞圈的端部的层之后，人们可以施加剖光方法，例如磨削，目的在于提供表面的适当条件，可能是由于圈端部的形状或者由于表面粗糙度的标准。仅在端部区域已经适当地被剖光之后将施加最终涂层。

本发明的很大优势是，不施加非常厚的PVD层，否则这将在涂层中生成太高的张力以及过度的成本。因此，人们采用的是这样的处理，该处理能够沉积足够厚度的具有良好耐磨性的材料至活塞圈的端部区域，以防止基底材料的暴露，甚至用于非常严格的作业条件，该中间层与外PVD层具有高度兼容性(良好的粘接)。以该方式，降低了内部张力，放大了在圈10的端部4处的涂层的厚度，降低了制造圈10的成本，以及实现了用于部件的更好功能条件。应该注意的是，由于在现有技术圈上的高磨损，圈的基底材料具有低耐磨性，当其承受应力作为摩擦学表面时，其不呈现良好的兼容性，这导致高磨损并且恶化活塞圈应该具有的燃烧室的良好气体密封的功能。

以该方式，如果外涂层3全部被消耗，其维持中间涂层2，中间涂层2也防止活塞圈10的磨损。因为当PVD涂层被消耗时市场不接受基底材料1直接暴露至气缸主体的可能性，所以该建设性的实施例具有很大优势。以该方式，人们防止了这些问题，除了之前提到的高磨损，由于基底材料1和气缸的滑动表面之间的直接接触，现有技术部件仍是易受伤害而停止的。

作为一个特例，本发明具有的事实是，不通过热喷涂施加中间层的话就不可能实现本发明的结果。包括HVOF的热喷涂处理具有的优势是，除了具有类似于通过PVD沉积的涂层的耐磨性，其能够使材料的局部沉积仅在要求较大耐磨性的区域(圈10的端部4)，这不能够通过其他处理实现，诸如电镀铬处理。而且，HVOF处理能够使人们沉积较大厚度，而不会增加涂层的内部张力。

已经描述了优选的示例实施例，本领域技术人员应该理解的是，本发明的范围包含其他可能的变型，这种可能的变型仅由包括可能的等同结构的附随权利要求的内容限制。

Claims (6)

1.一种设置有金属基底(1)的活塞圈，外滑动层(3)关联于所述金属基底(1)，其中，中间层(2)定位于所述基底(1)和所述外层(3)之间，所述圈(1)的特征在于，所述外层(3)和所述中间层(2)专门出现在所述圈(10)的每个端部区域(4)的外径向面。

2.根据权利要求1所述的活塞圈，其特征在于，所述中间层(2)包括通过所述热喷涂技术施加的耐磨损材料。

3.根据权利要求2所述的活塞圈，其特征在于，所述中间层(2)包括通过超音速热喷涂(HVOF)施加的氮化铬(CrN)。

4.根据权利要求1所述的活塞圈，其特征在于，所述外层(3)包括通过物理气相沉积(PVD)施加的氮化铬(CrN)。

5.根据权利要求1所述的活塞圈，其特征在于，其是压缩圈或者刮油圈(10)。

6.根据权利要求1所述的活塞圈，其特征在于，其是施加至内燃机的压缩圈，所述内燃机以具有两个或者三个冲程的狄塞尔循环、奥托循环操作。