CN105863870B - 活塞环 - Google Patents
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Abstract
活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口，所述上环体两端底面设有凸台，所述下环体两端顶面设有凹槽，所述凸台和凹槽配合连接，同时所述上环体下表面均匀设有若干凸杆，所述下环体上表面均匀设有若干小孔，所述凸杆可以插入小孔中形成连接，所述上环体和下环体内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽，所述半圆形凹槽组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈。该活塞环密封性好、耐磨性好、使用寿命长。
Description
技术领域
本申请涉及一种活塞环，具体涉及一种用在各种动力机械上，例如蒸汽机、柴油机、汽油机、压缩机、液压机等机械上的活塞环，该活塞环可广泛用于汽车、火车、轮船、船艇、游艇、各种大型农用机械等多领域。
背景技术
活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。
传统结构的活塞顶环是通过径向切割被切开的。当活塞带着该顶环安装到气缸套内时，该环的两端有一定的距离，它随着该环的磨损而增加，因为该环切口的中心线随着该环的磨薄同时径向向外移动，因此，该环径便增大，环两端之间的间隙也增加。燃烧室内的燃气在环间隙处经气缸套和活塞之间的间隙可向下流动，且因该环隙随活塞顶环磨损而增加，该燃气直流也会增加，并使气缸套和活塞在该环隙附近区域热负荷增大，当发动机运转时，该活塞顶环通常会沿环槽圆周方向位移，但经验表明该顶环的移动可以停止，这会对对着该环隙的下面活塞环和气缸套造成大的热负荷。在顶环静止的情况下，增大的局部热负荷可促使裂纹产生和其它不希望的材料腐蚀。
现有技术一提供了一种活塞环的改进方案，该技术方案提供一种大型二冲程发动机活塞的活塞顶环，在环上设有切口，以容许在装于活塞侧壁上的环槽内时该环的膨胀，该环的两端在切口处互相交搭，跟气缸壁接触的该环的外侧至少具有二条自该环上侧延伸到下侧的槽，该槽宽的总和达到环圆周的0.1-1％。然而，上述方案还存在如下问题：活塞顶环中，燃烧气体经由设于外周面的呈俯视U字形状或俯视时字形状的多个槽而发生窜气。因此，在槽内产生裂纹而活塞顶环发生折损，或随着活塞顶环磨损而槽的深度减小，使燃烧气体窜气的效果可能会消失。另外，活塞顶环中，设于外周面的槽的角可能会刮伤汽缸套的内壁面，或者在外周面实施耐磨损涂层时，该耐磨损涂层可能会从槽的角剥离。
现有技术二提供了一种活塞环的改进方案，其技术方案为：第一形态活塞环在一端部具备凸部，在另一端部具备凹部，并通过所述凸部和凹部来形成阶梯开口，其中，在所述凸部与所述凹部之间设有将作用于一侧面的气体向另一侧面引导的气体通路。根据所述第一形态的活塞环，作用于一侧面的气体通过气体通路而被导向另一侧面。然而，研究表明，上述方案仍然存在活塞环仍然在密封性和耐磨性方面存在缺陷。
现有技术一：国际公开番号WO94/12815A。
现有技术二：国际公开番号WO2012/117987A1。
本申请针对现有技术已经存在的缺陷，提供一种活塞环的改进方案，一方面针对活塞环经常被应用在高温环境中由于承受高温影响活塞环的使用寿命的问题提出改进，另一方面针对高温环境下需要对高温中的活塞环有效导热进行改进，同时，针对活塞环使用过程的密闭性也一并提供了完善的方案。
发明内容
本申请的目的在于提供具有改性的密封性的活塞环，并且该活塞环在耐磨性和导热性等方面均有良好的改进。
活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口，所述上环体两端底面设有凸台，所述下环体两端顶面设有凹槽，所述凸台和凹槽配合连接，同时所述上环体下表面均匀设有若干凸杆，所述下环体上表面均匀设有若干小孔，所述凸杆可以插入小孔中形成连接，所述上环体和下环体内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽，所述半圆形凹槽组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈。
进一步地，所述上环体和下环体表面设有多层结构。
所述多层结构由基底层、周期性结构层和耐磨层组成。
所述基底层为铬层或钛层或者铬钛合金层。
所述周期性结构层的每一层均由元素M1和元素M2组成，其中M1选自铝、镁、锡，M2选自钛、钒、铌、钨。耐磨层的周期性结构层由M1和M2构成的合金层交替层叠构成，其中紧靠基底层的M1M2合金层中M2的质量百分含量在80%以上，其中靠近耐磨层的M1M2层中M1的质量百分含量在80%以上，在紧靠基底层的M1M2层和靠近耐磨层的M1M2层之间的其余周期性结构层，由里面向外面（其中基底层所在位置定义为里面，耐磨层所在位置定义为外面）形成的M1M2层中每一层中M2的质量百分含量逐渐减少，M1的质量百分含量逐渐增加。多层由M1M2合金组成合金层构成周期性结构层。
耐磨层由选自元素M3的氮化物（M3N）或碳化物（M3C）或碳氮化物（M3NC或M3CN）组成，其中M3选自铬或钒或铬钒合金。
进一步的，在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层。
进一步的，所述密封垫圈为耐高温橡胶垫圈。
进一步的，所述小孔和凸杆均设有6-10个，优选10个。小孔和凸杆以上环体为圆心分别在所述下环体上表面和上环体下表面上均匀分布。
进一步的，所述凸台和凸杆的高度一致，均为0.2-0.3mm，所述小孔和凹槽的深度相等，均为0.3-0.35mm。
进一步的，所述上环体和下环体接触位置，还可以设有防水垫圈。
下面对本申请技术方案进一步说明以更明确技术方案的内容、制备方法及原理。
对于活塞环的材料常选用具有较高强度的铁合金，例如马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢。材料的选择以强度为主要考虑的因素，否则会导致活塞环在高温工作的环境中发生断裂。
在活塞环上设置的基底层为铬层或钛层或铬钛合金层，其设置的目的在于基底层的膨胀率要接近于活塞环，减少热应力的影响，减少形变，另外保证基底层与周期性结构层之间较好的粘接性，减少剥离的风险，基底层的厚度一般设置在0.1-0.5μm之间，优选0.2-0.3μm之间，过薄的基底层不能保证材料间的粘接性，过厚的基底层会导致制造成本的增加，这是生产过程中所不希望。
对于周期性结构层，其厚度优选为50-500nm，更优选100-300nm。其中一个单层，即每一层由M1和M2组成的周期性结构层的厚度优选为5-20nm，更优选为10-15nm。对于周期性结构层中层的数目，优选为5-20层，更优选8-15层。对于每一层由M1和M2组成的周期性结构层中元素M1和M2的含量，相邻两层中M1占M1M2的重量百分含量变化在5-10%之间，实施例中重量百分含量的变化范围为8%和10%。相应地，相邻两层中M2占M1M2的重量百分含量变化也在5-10%之间，相邻两层中M1的变化范围与M2的变化范围是相对应的。这种含量变化的固定值，对于操作性和成本性是有利的，这种周期性的变化，对于层间的粘接性也是极为有利的，能够减少了表面层的剥离性，提高了活塞环的耐磨性，进而对于其使用寿命是极为有益的。实施例中，周期性结构层设置为9层，靠近基底层的第一层中M1的重量百分含量为10%，M2的重量百分含量为90%；紧临第一层的第二层中M1的重量百分含量为20%，第二层中M2的重量百分含量为80%，以此类推，第九层（即靠近耐磨层的周期性结构层的单层）中M1的重量百分含量为90%，第九层中M2的重量百分含量为10%。
对于该周期性结构层，其制备方法有多种，本申请中采用激光熔覆方式制备得到，通过送粉装置将预先配制的合金复合粉末送入真空腔室，采用脉冲激光将合金复合粉末熔覆，从而在基底层上得到周期性结构层。
在活塞环外设置的耐磨层由选自元素M3的氮化物或碳化物或碳氮化物组成，其中M3选自铬、钒中的至少一种，即Cr2N，VN，V3N，Cr3C2，VC，CrCN，VCN，或者上述任意两种或两种以上的组合。该耐磨层具有良好的耐磨性，通常使用物理气相沉积方法制备得到，例如真空蒸镀或离子溅镀，也可以使用渗镀的方法进行处理得到，例如渗氮、渗碳或碳氮共渗，当然具体的实施方式并不限于上述所描述的几种方法。该耐磨层的厚度为10-50nm之间。该耐磨层具有高的强度和硬度，并且具有很小的摩擦系数，从而有效地减少了活塞环的磨损性，提高产品使用寿命。
在多层结构的外部设置导热硅胶层的目的是基于其自身良好的散热性能，从而保证活塞环能长期在高温下的良好运行。
对于密封垫圈来说，设置的目的在于保护产品外部避免意外撞击而造成损坏，同时防止漏气。
针对现有技术中所存在的问题，本申请所解决的基本技术问题在于增加活塞环的使用寿命。
通过在上环体和下环体间设置交叉开口，减少活塞环局部热负载导致产生的裂纹。在上环体和下环体间的接触面设置的凸台、凹槽、小孔、凸杆组成稳固而可拆卸的组合，保证活塞环的拆卸便利性。在上环体和下环体内侧对称设置的半圆形凹槽所组成的大凹槽，并在其中设置密封垫圈进一步保证活塞环的密封性能。在活塞环的上环体和下环体表面设置多层结构的目的在于提高活塞环的耐磨性，提高使用寿命。其中基底层在于保证活塞环多层结构中周期性结构层的良好粘接性，减少剥离的风险。周期性结构层一方面保各层间的粘接性，减小了表面层的剥离风除，对于提高耐磨性和提高使用寿命均是有利的。耐磨层的设置在于碳化物、氮化物或碳氮化物的良好强度和硬度，并基于自身较小的磨擦系数，减少活塞的磨损性，提高使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请活塞环俯视结构示意图。
图2为本申请活塞环下环体的俯视结构示意图。
图3为本申请活塞环上环体的仰视结构示意图。
附图标记列表：1、上环体；2、下环体；3、凸台；4、凹槽；5、小孔；6、凸杆；7、半圆形凹槽。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
结合附图1、图2和图3对活塞环的整体结构进行详细说明。
活塞环，包括上环体1和下环体2，所述上环体1和下环体2均开有交叉开口，所述上环体1两端底面设有凸台3，所述下环体2两端顶面设有凹槽4，所述凸台3和凹槽4配合连接，同时所述上环体1下表面均匀设有若干凸杆6，下环体2上表面均匀设有若干小孔5，所述凸杆6可以插入小孔5中形成连接，所述上环体1和下环体2内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽7（凹槽的截面呈现为半圆形，或者近似半圆形，或者椭圆形，或者近似椭圆形），所述半圆形凹槽7组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈，密封垫圈优选为耐高温橡胶垫圈。所述上环体1和下环体2表面还设有多层结构。
在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层，实际中优选方案，所述小孔5和凸杆6均设有10个，且以上环体1为圆心分别在所述下环体2上表面和上环体1下表面上均匀分布，所述凸台3和凸杆6的高度一致，均为0.3mm，所述小孔5和凹槽4的深度相等，均为0.35mm，所述上环体1和下环体2接触的位置，还设有防水垫圈，来进一步密封。
下面对多层结构进行详细的说明。
多层结构由基底层、周期性结构层和耐磨层组成。基底层选用铬层，或者选用钛层，或者选用铬钛合金层。周期性结构层由5-20层构成，每一层（每一单层）均由元素M1和元素M2组成，其中M1选自铝、镁、锡，M2选自钛、钒、铌、钨。耐磨层的周期性结构层由M1和M2构成的合金层交替层叠构成，其中紧靠基底层的M1M2合金层中M2的含量在80%以上，其中靠近耐磨层的M1M2层中M1的含量在80%以上，在紧靠基底层的M1M2层和靠近耐磨层的M1M2层之间的其余周期性结构层，由里面向外面（其中基底层所在位置定义为里面，耐磨层所在位置定义为外面）形成的M1M2层中每一层中M2的含量逐渐减少，M1的含量逐渐增加。多层由M1M2合金组成合金层构成周期性结构层。以周期性结构层包括9层单层为例，靠近基底层的第一层中M1的重量百分含量为10%，M2的重量百分含量为90%；紧临第一层的第二层中M1的重量百分含量为20%，第二层中M2的重量百分含量为80%，以此类推，第九层（即靠近耐磨层的周期性结构层的单层）中M1的重量百分含量为90%，第九层中M2的重量百分含量为10%。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口，所述上环体两端底面设有凸台，所述下环体两端顶面设有凹槽，所述凸台和凹槽配合连接，同时所述上环体下表面均匀设有若干凸杆，所述下环体上表面均匀设有若干小孔，所述凸杆可以插入小孔中形成连接，所述上环体和下环体内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽，所述半圆形凹槽组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈；
所述上环体和下环体表面设有多层结构；
所述多层结构由基底层、周期性结构层和耐磨层组成；
所述基底层为铬层或钛层或者铬钛合金层；
所述周期性结构层的每一层均由元素M1和元素M2组成，其中M1选自铝、镁、锡，M2选自钛、钒、铌、钨；周期性结构层由M1和M2构成的合金层交替层叠构成，其中紧靠基底层的M1M2合金层中M2的质量百分含量在80%以上，其中靠近耐磨层的M1M2层中M1的质量百分含量在80%以上，在紧靠基底层的M1M2层和靠近耐磨层的M1M2层之间的其余周期性结构层，由里面向外面形成的M1M2层中每一层中M2的质量百分含量逐渐减少，M1的质量百分含量逐渐增加，其中基底层所在位置定义为里面，耐磨层所在位置定义为外面；多层由M1M2合金组成合金层构成周期性结构层；
耐磨层由选自元素M3的氮化物或碳化物或碳氮化物组成，其中M3选自铬或钒或铬钒合金。
2.如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层。
3.如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述密封垫圈为耐高温橡胶垫圈。
4.如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述上环体和下环体接触位置，还设有防水垫圈。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的活塞环，其特征在于，活塞环的材料选用马氏体不锈钢或奥氏体不锈钢。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的活塞环，其特征在于，基底层的厚度设置在0.1-0.5μm之间。
7.如权利要求6所述的活塞环，其特征在于，基底层的厚度设置在0.2-0.3μm之间。
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2016
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