CN108700195B - 用于内燃机的活塞环和用于获得活塞环的方法以及内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞环(1)和用于沉积多层涂层(5)的方法，多层涂层(5)具有纳米层结构，能够保证活塞环(1)的周表面(2)的涂层(5)的可变厚度，使得活塞环(1)的开口(3)的平头端(31、32)的紧邻段的区域包括的涂层(5)厚于与活塞环(1)的平头端(31、32)的紧邻段对置的区域的涂层，从而由于受到最大磨损的环的区域中的良好强度以及增加的厚度而提供了具有高耐久性的活塞环(1)。

Description

用于内燃机的活塞环和用于获得活塞环的方法以及内燃机

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的活塞环，活塞环的外周表面设置有多层复合涂层，所述涂层提供高硬度以及耐磨性，同时保证低压缩应力，这确保优化活塞环的耐久性。

背景技术

内燃机基本地包括两个主要部分：发动机缸体(设置有一个或多个气缸)和关联一个或多个气缸盖的曲柄轴组件。曲柄轴组件包含活塞、连接杆和曲柄轴，用来在发动机缸体的气缸内部移动活塞。活塞是柱形部件，通常由金属基底组成，包括一个或多个环，环用于在活塞的外边缘和气缸的内壁之间提供滑动密封。

在气缸的内部移动活塞期间，活塞必须完全黏附至气缸的壁以防止空气燃料混合物和废气在压缩以及燃烧期间泄漏离开燃烧室进入油池，并防止油从油池进入燃烧区域。由于这种方案会引起高摩擦，发现的方案在活塞和气缸的内壁之间设计小间隙并且将一个或多个环插入活塞周围以确保所需隔离。

现代四冲程发动机通常在每个活塞上使用三个环，具体地两个压缩环和一个油环。定位成最靠近活塞头部的两个环公知为压缩环，旨在当活塞执行压缩移动时确保气体混合物不泄漏入池。第三活塞环公知为油环，旨在从气缸的壁刮去多余油，控制油膜的厚度。

活塞环通常包括周边金属表面，对周边金属表面施加至少一层设计成接触气缸的壁的涂层或者膜。

涂层起重要作用，这是由于涂层旨在确保当滑动时环经受低摩擦，并且具有高耐磨性、硬度以及韧性属性。但是，这些属性中的许多属性是自相矛盾的，所述属性中一个的增加导致另一属性的性能损失。此外，施加至环的应力沿着相同表面改变，即应力不是均匀地施加至环。

通过申请人执行的研究、测试以及模拟证明，活塞环，特别是压缩环，在该环的平头端周围或者之上经受了过早磨损。

在该方面，代表性现有技术文献是US7052019，其涉及一种PVD涂层，PVD涂层提供了具有可变厚度的涂层，环的平头端周围的涂层的厚度是沿着离开环的平头端紧邻段的区域施加的涂层的厚度的1.5至4倍。

应该注意的是，公开于文献US7052019的涂层仅使用材料的一个供给源，这表明仅一个金属蒸镀将发生以形成氮化物，这得到呈单层形式的涂层。

使用的制造处理具有可变转速，使得当环的平头端周围的区域定向成朝向涂覆材料的供给源时速度最低，使得涂层在环的平头端的紧邻段周围的区域比在环的平头端的对置区域更厚。但是，该处理要求在该速度变化期间非常精确控制的同步性，否则不能实现涂层的厚度的变化效应。

另一方面，仅仅在环的平头端的紧邻段周围的区域增加一个单层涂层不足以保证部件的较大耐久性。如图2所示，在环的平头端的附近涂覆层越厚，环的平头端和发动机缸体的气缸之间的接触压力越大。燃烧生成高温并且增加气体压力，导致过早磨损，这进一步被压缩环的滑动表面和该区域之间的低润滑以及接触压力恶化。此外，由于通过剥离涂层引起的较高故障率，公开于文献US7052019的涂层的高压缩应力(大于1000Mpa)降低了部件的耐久性。

文献WO2014194874公开了一种活塞环，例如，该活塞环被施加具有可变多层厚度(AITiN/CrN)的PVD涂层。但是，该现有技术文献具有缺陷，该缺陷产生于使用具有铸造金属基底(钢或者铁)的环，这导致存在无数不连续，使得消极地影响了环的性能。其例子是通常发现在铸造材料中的细孔和过程结构。

铸铁具有石墨结构，石墨结构具有微观锐利边缘，这导致相比于冷加工钢(诸如使用延伸处理生产的钢)具有较低机械强度。

同样地，铸钢也具有通过合金元素(诸如Mo、Cr以及Nb)引起的细孔以及粗糙碳化物。这些粗糙碳化物对产品的性能具有消极效应，这是由于这些硬结构易碎并且充当类似于铸铁中的石墨结构的应力集中器。

结果，使用铸造材料(铁或者钢)的结果是，具有PVD涂层的活塞环的疲劳强度会小于涂覆有PVD且使用线形式(拉制)钢生产的环。

在活塞环的结构部件中使用更强材料的另一优势是，较薄段结果生成轻重量的环，导致有助于降低燃料消耗的更紧凑部件。

最后，文献WO2014194874没有公开使用纳米层来形成具有控制周期性的多层涂层，正如将可见的，控制周期性是用于在部件中获得较大涂层厚度以及实现较大耐久性的重要因素。

发明内容

因此需要一种活塞环和涂覆方法来克服现有技术中的问题，解决现有技术中的问题并且提供额外优势。

为了这样，本发明使用多层涂层，其具有纳米叠层结构，并且在接收涂层的所有区域具有良好周期性控制的层，从而保证环的周表面的涂层的可变厚度，使得环的平头端的附近的区域具有的涂层厚于被涂覆的环的其他区域，从而导致活塞环具有高耐久性，这是由于良好耐磨性和低滑动摩擦，以及结合了环的所述更临界区域(限定为平头端的附近的区域)的高厚度。

本发明涉及一种具有延伸耐久性的产品，使用设计成用于使用在内燃机中的活塞环，提供了压缩环，压缩环具有由纳米层组成的具有良好控制周期性的涂层，所述涂层具有低压缩应力和可变厚度，使得施加的涂层的厚度从90°和270°分别朝向0°和360°逐渐增加。在10°和350°的区域中达到最大厚度。

本发明还旨在提供一种物理气相沉积(PVD)涂覆方法，其用于设计成用于使用在内燃机中的活塞环，该方法包括两个接连步骤，其中，第一步骤涉及实施将具有均匀厚度的涂层沉积在环的整个周边区域，即绕360°。在方法的第二步骤中，沉积旨在在270°、360°、0°和90°区域中局部增加涂层。

本发明的目的使用活塞环实现，活塞环具有涂覆有硬涂层的外周表面，硬涂层的厚度在靠近环的平头端的区域大于外周的另一区域的涂层的厚度，硬涂层由多个层形成。

本发明的目的还通过物理气相沉积(PVD)方法实现，用于获得内燃机的活塞环的物理气相沉积(PVD)方法包括以下步骤：

步骤1：将至少一个活塞环附接至转盘，至少一个活塞环具有开口，开口定位在涂覆材料的至少一个供给源的前面，转盘绕转盘的中央轴线执行第一旋转移动，至少一个环在邻近开口的中心的由180°限定的周表面的区域中通过旋转转盘接收第一沉积，

步骤2：转盘在步骤1执行第一旋转移动，至少一个环在转盘上执行第二旋转移动，涂覆材料的供给源在活塞环的整个周表面0°–360°引起第二沉积，以及

步骤1和步骤2交替并且沿相反方向(顺时针或者逆时针)执行第一旋转移动和第二旋转移动。

本发明的目的还通过包括至少一个如上所述限定的活塞环的内燃机实现。

附图说明

下文在附图示出的示例实施例的基础上更详细地描述本发明。附图示出了：

图1是使用本发明描述的涂覆方法获得的活塞环的示意性示意图，

图2是活塞环从0°至360°压力分配的图形示意图，

图3是常规PVD方法的示意性示意图，

图4是根据本发明的PVD方法的步骤1的示意性示意图，

图5是根据本发明的PVD方法的步骤2的示意性示意图，以及

图6是在PVD方法中使用物理栅栏的示意性示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种包括具有恒定厚度的拉制金属基底的活塞环1，以及用于沉积涂层5的方法，旨在保证由多个层形成的硬涂层5具有纳米叠层结构以及控制周期性，控制周期性大致等于涂层5的整个长度。

本发明还涉及一种硬涂层5，硬涂层5的厚度在靠近环的平头端31、32的区域大于在环1的外周表面的另一区域中涂层5的厚度。换句话说，本发明涉及一种具有可变厚度的涂层5，包括沉积在活塞环1的周表面2上的多层涂层5，使得邻近环1的开口3的平头端31、32的紧邻段的区域包括一层涂层5，其厚于与环1的平头端31、32的紧邻段对置的区域的涂层的层，并且在环1的开口3的平头端31、32的紧邻段的涂层5的层厚度降低，从而提供具有高耐久性的活塞环1，这是由于在经受最大磨损的环的区域中的良好强度以及增加的厚度。

正如公知的，整个活塞环1设置有开口3，开口3能够使活塞环组装在内燃机的活塞的凹槽中。为了更好地限定本发明，环的开口3的区域由两个平头端31、32限定，还公知为环1的极点。例如，开口3的中心能够呈现为其覆盖10°的总量。因而，开口3的中心视为0°或者360°。这样，每个平头端距离开口3的中心5°。

在该内容中，第一平头端31的极限定位成距离开口3的中心5°处，第二平头端32的极限定位成距离开口的中心355°或者距离所述中心5°处。为了更好地理解本发明，以上角度应该从活塞环1的开口3的中心顺时针测量。

非常简单地，正如在本文的剩余部分更详细描述的，根据本发明的方法涉及一种对环1的周表面2的大致一半进行第一物理气相沉积(PVD)，在这之后是对环1的整个周表面2进行的第二物理气相沉积(PVD)。第一和第二沉积可以交替。

更具体来说，第一沉积是在环1的这些区域中进行的：从环1的开口3的中心测量，包括由角度0°至90°以及角度270°至360°限定的区。可替换地，接收第一沉积的表面能够描述为邻近开口3的中心180°。邻近开口的中心180°的这些下文称为环1的第一半21。环1的对置部分下文称为第二半22，自然地包括周表面2的由角度90°至270°限定的部分。

如图1所示，活塞环1包括大致环形金属周表面2，所述表面作用为环1和气缸衬套之间的界面中的滑动部。描述在本发明中的活塞环1优选包括第一活塞凹槽中的压缩环1或者第二活塞凹槽中的活塞环。

显然地，根据本发明的PVD涂覆方法包括具体地设计成用于该类型沉积的室55，包括不同涂覆材料53的至少两个供给源52和至少一个转盘50，至少一个活塞环1附接到至少一个转盘50。

室55优选包括但不是必须包括涂覆材料53的偶数量的供给源52。可替换地，本发明可以具有奇数的供给源52，在两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个等之间选择。供给源52取决于每个计划和要求。结果，在图3、图4或者图5示出的实施例的可能例子中，四个供给源可以对称及等距布置，以便能够均匀沉积在要涂覆的所有部分上。作为简单总结，供给源52的数量独立于环1的数量变化。

对环1的数量不限制，环1能够定位在不同于可获得于转盘上的空间，可以定位一个或多个环1。具有更多供给源52的涂覆材料53的沉积速度更快，从而增加了该方法的效率。

转盘50可以顺时针或者逆时针旋转。此外，转盘50的第一旋转移动W1和活塞环1的第二旋转移动W2可以沿交替方向或者相同方向，可以是顺时针或者逆时针。

通常，如图3所示，用于涂覆活塞环1的PVD方法涉及将至少一个环1附接至转盘50，使得转盘绕转盘的中央轴线51执行第一旋转移动W1，环1在转盘50上执行第二旋转移动W2，环1在整个周表面2周围即从0°至360°接收涂覆材料的沉积。

在常规PVD方法中，旋转移动的速度保持恒定，从而在活塞环1整个周表面2周围确定涂层5的均匀厚度。

背景技术所描述的PVD方法是根据常规方法执行的，但是具有可变转速。结果，当环1的第一半21位于涂覆材料53的供给源52的前面时，转速降低，从而确保环1的第一半21具有的涂层5的层厚于环1的周表面2的第二半22。

但是，背景技术中的PVD方法除了涉及精确控制旋转速度的缺陷，还具有的缺陷是，环1的开口3的平头端31、32的紧邻段具有的涂层5的层更厚，从而增加了环1的平头端31、32和气缸之间的接触压力。

本发明提议的涂覆方法包括使用在至少两个步骤中执行的PVD方法施加涂层，实施顺序可以交替。

如图4所示，在涂覆方法的步骤1，将活塞环1附接至转盘50，使得环1的第一半21位于涂覆材料53的供给源52的前面。在该步骤中，仅转盘50绕中央轴线51执行第一旋转移动W1，而活塞环1仍相关于转盘50是静止的。该第一步骤旨在施加涂覆材料53的第一沉积，施加涂层5的层的最终厚度的约三分之二。

在图5示出的方法的步骤2，转盘50和活塞环1执行旋转移动。转盘50绕中央轴线51执行第一旋转移动W1，而活塞环1在转盘50上执行第二旋转移动W2。在该步骤中，第二涂覆材料53的第二沉积施加在环1的整个周表面2，即从0°至360°。因而，涂层5的层的最终厚度在环1的第一半21上达到，厚于在环1的第二半22上。可替换地，应该注意的是，在步骤1和步骤2之间，环可以承受精加工处理，精加工处理可以是机加工、磨光、磨削、研磨、搪磨、刷涂等，以保证环的厚度大致恒定。

图6示出了PVD涂覆方法还如何确保涂层5的层的厚度在第一平头端31的紧邻段和第二平头端32的紧邻段优选、但不是必须是这样：比在靠近环1的平头端31、32的区域中涂层的层的厚度小2％和10％之间。

在优选布置中，物理栅栏54插入环1的开口3的平头端31、32之间，以便阻碍供给源52施加的涂覆材料53的碎片，从而实现在环1的开口3的第一平头端31的紧邻段和第二平头端32的紧邻段降低涂层5的层的厚度。

在第二布置中，降低开口3的平头端31、32的紧邻段涂层5的层的厚度可以通过执行机加工处理实现，以在涂覆处理之后移除材料。优选但不是必须，机加工处理可以是刷涂处理或者研磨处理。

降低平头端31、32的紧邻段的涂层的层厚度是结构性选择，旨在降低接触压力以改善润滑以及最终降低环1的磨损。

将PVD涂覆方法分为两个步骤能够调整该方法的参数，以降低在沉积材料53期间施加的压缩应力，从而实现涂层5的层的更大厚度。

用于优化涂层5的层中的应力的该设备不能够在现有技术公知的PVD方法中实现。因而，能够实现厚度大于现有技术中描述的50μm，优选可实现厚度为70μm或者甚至多于100μm。

而且，根据本发明的方法利用在第一和第二步骤期间施加的不同材料工作。例如，在第一步骤中可以施加具有高耐磨性的材料，而在第二步骤中可以施加具有低滑动摩擦的材料并且可以施加较小耐磨性。

自然地，能够使用PVD方法施加的层不限于具有相同化学成分的层，即还能够施加亚硝酸盐、碳化物以及其他化合物层，例如CrN、TiN、NbN、CrCN，以例如形成CrN/NbN、CrN/CrAIN、a-C/CrN、a-C/ta-C等涂层5。因此本发明中陈述的方案基于通过PVD获得的涂层5，具有纳米度量多层体系结构，即纳米层。

还应该注意的是，本发明的涂层5的纳米层的控制周期性在环1的整个涂层5中具有相当均匀值。假设，周期性涉及材料A的第一层和材料B的第二层之间的厚度的总和，不管根据本发明涂层5的总厚度在环1的平头端31、32(更厚)和定位于180°的区域(更薄)之间的变化，周期性始终相同。

依靠例子，对于现有技术中平头端的区域具有45nm的周期性以及涂层具有60μm厚度的情形，本发明对于60μm的相同涂层厚度将具有20nm周期性。关于与平头端对置的区域，现有技术中是20nm的周期性以及20μm的涂层厚度，本发明具有20nm的周期性以及40μm的涂层厚度。

两个优势得自于本发明的结构布置：首先，更厚涂层改善耐磨性和剥离阻力，使得产品更耐用；其次，更低周期性改善涂层的硬度，这也增加产品的耐久性。结果，考虑到降低速度W1和W2将增加周期性，根据本发明的周期性等于或者小于30nm，该值显然小于现有技术中用于根据本申请的活塞环的任何方案。应该注意的是，根据本发明的纳米层的周期性可以是1nm和30nm之间的任何值，即小于25n或者小于20nm，或者小于15nm或者小于10nm。

还应该注意的是，根据本发明的涂层5的内应力小于1000Mpa，这导致当相比于现有技术中的方案(高于1000Mpa)时涂层更不易被剥离。

使用描述在现有技术中的方法不能够实现这些优势，这是由于所述方法是连续的并且仅包括一个步骤来沉积具有单层结构的涂层。结果，本发明提议的PVD涂覆方法基于单个技术，但是使用更有优势的处理方法，结果提供了至少在耐久性方面提供更大性能的产品。

使用本发明提议的PVD涂覆方法获得的活塞环1，使得环1的第一半21具有涂层5的层的厚度梯度，在90°和270°开始于至少15μm，以及在邻近开口3的平头端31、32的紧邻段的区域中结束于至少15μm。应该注意的是，平头端31、32的紧邻段具有的涂层5的层厚度约比邻近平头端31、32的紧邻段的区域小2％至10％，这样，第一平头端31的紧邻段的厚度是至少55μm，第二平头端32的紧邻段的厚度是至少55μm。此外，环的第二半22即在90°、180°和270°之间具有的涂层为至少15μm的均匀厚度。

虽然已经描述了优选实施例，但是，应该注意的是，本发明的范围覆盖其他可能变型，并且仅受包括可能等同结构的随附权利要求的内容限制。

Claims (11)

1.一种活塞环，包括具有恒定厚度的拉制金属基底，所述活塞环(1)具有：外周表面(2)，其设计成接收硬涂层(5)，在靠近所述活塞环(1)的平头端(31、32)的区域中所述硬涂层(5)的厚度大于在所述外周表面(2)的另一区域中所述硬涂层(5)的厚度，所述活塞环的特征在于，所述硬涂层(5)由具有纳米尺度结构的多个层(11、12)形成，

其中，所述硬涂层(5)的所述多个层具有等于或者小于30nm的周期性，

所述硬涂层(5)的厚度梯度在90°和270°处开始于至少15μm，在邻近所述活塞环(1)的开口(3)的所述平头端(31、32)的紧邻段的区域中结束于至少55μm，

所述活塞环(1)的开口(3)的所述平头端(31、32)的紧邻段具有的硬涂层(5)的厚度比在邻近所述活塞环(1)的所述平头端(31、32)的紧邻段的区域小2％至10％。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述硬涂层(5)的所述多个层在整个所述活塞环(1)上具有相同周期性。

3.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，每个纳米层的厚度在所述平头端(31、32)的区域中以及远离平头端的区域(22)之间的最大差不大于8nm。

4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述硬涂层(5)具有的内应力小于1000MPa。

5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，邻近所述活塞环(1)的第一平头端(31)的紧邻段的区域具有的厚度为至少55μm，邻近所述活塞环(1)的第二平头端(32)的紧邻段的区域具有的厚度为至少55μm。

6.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述活塞环的第二半(22)，即在90°、180°和270°之间，具有的硬涂层(5)具有至少15μm的均匀厚度。

7.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述外周表面(2)是滑动表面。

8.一种用以获得根据权利要求1-7中任一项所述的活塞环(1)的物理气相沉积(PVD)方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：将至少一个活塞环(1)附接至转盘(50)，所述至少一个活塞环(1)具有开口(3)，所述开口(3)定位在涂覆材料(53)的至少一个供给源(52)的前面，所述转盘(50)绕所述转盘(50)的中央轴线(51)执行第一旋转移动(W1)，所述至少一个活塞环(1)在邻近所述开口(3)的中心的由180°限定的所述外周表面(2)的区域中通过旋转所述转盘(50)接收第一沉积，

步骤2：所述转盘(50)在步骤1中执行所述第一旋转移动(W1)，所述至少一个活塞环(1)在所述转盘(50)上执行第二旋转移动(W2)，涂覆材料(53)的所述供给源(52)在所述活塞环(1)的0°–360°的整个外周表面(2)上引起第二沉积，以及

步骤1和步骤2交替并且沿相反方向执行所述第一旋转移动(W1)和所述第二旋转移动(W2)，

其中，在步骤1或者步骤2的结尾，将物理栅栏(54)定位于所述活塞环(1)的所述开口(3)和所述供给源(52)之间。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，涂覆材料(53)的第一沉积提供了硬涂层(5)的最终厚度的三分之二。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述涂覆材料(53)在步骤1和步骤2之间改变。

11.一种内燃机，其特征在于，其包括如权利要求1限定的至少一个活塞环(1)。

Images