活塞环及用于制造其的加工过程的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种活塞环，用于在内燃机的活塞的活塞沟槽中使用，所述活塞环设置有主体(6)，所述主体(6)由限定面向活塞头的上部(2)，相反的、面向活塞裙的下部(3)，面向活塞沟槽的内部(4)以及相反的、在气缸壁或内衬上滑动的外部(5)的含铁材料组成，所述上部和外部(2,5)基本上相互正交并且限定上倒角(Cs)，而所述下部和外部(3,5)基本上相互正交并且限定下倒角(Ci)，其中(i)所述上部、下部以及内部(2，3，4)被氮化(CN)，并且(ii)所述外部(5)和所述上倒角以及下倒角(Cs,Ci)未被氮化并且涂覆有至少一个通过离子电镀加工而沉积的涂层(7)。
【专利说明】
活塞环及用于制造其的加工过程
技术领域
[0001] 本发明设及基于马氏体不诱钢的、特别是用于内燃机而设计的活塞环，所述活塞 环具有经过氮化的上面、下面和内面，W及与气缸/内衬的壁接触、未经氮化并且设置有至 少一层通过离子电锻加工施加的涂层的外面。
[0002] 通过运种新的且改进的氮化铭涂层，实现了具有高燃烧压力和高转速的柴油发动 机(工业上已知为HSD(高速柴油)发动机）中的活塞环的使用寿命的增加，特别是当与当前 在运种类型的发动机中使用的活塞环相比时，其整体被氮化，并且在氮化后在其外面和上 下倒角上接纳通过物理蒸汽沉积(PVD)施加的涂层。虽然将制造成本保持在竞争级别，但能 够获得运些优点而没有技术上遇到的缺点。
[0003] 本发明还设及用于制造活塞环的加工。
【背景技术】
[0004] 通常，在内燃机中活塞环由金属基座形成，所述基座至少施加有与气缸壁接触的 一层涂层。作为示例，可W引用铸铁或不诱钢的基座，其用作节约成本和/或活塞环将要经 受的应力类型的功能。
[0005] 涂层的作用是非常重要的，运是因为其在活塞环上给予低滑动摩擦W及高抗裂 性、高硬度和高粗糖度的特性的事实。然而，必须注意的是，运些特性中的某些是矛盾的，并 且其中一个增加意味着其他特性的损失，运是因为待被选用作发动机的运转剖面的功能的 类型W及施加至涂层的应力的类型在它们的使用寿命期间将会屈服。
[0006] 在内燃机中，压缩环或者第一沟槽环由于与燃烧的压缩空气混合物的过热气体直 接接触而承受最多的应力。因此，由于其的非常位置，它们持续暴露至高溫W及侵蚀性的副 产品。
[0007] 本领域技术人员已经提议了一系列的涂层，其中的每种都试图改进期望的特性， 增加活塞环的强度。若干现有技术提到非常有效率和在技术上有益的CrN和/或CnN的形式 的氮化铭的陶瓷涂层，运是因为它们W非常能够胜任的方式平衡了内部应力的吸收特性、 高硬度W及低厚度，大大减少了层裂的发生的事实。
[000引在大多数的应用中，氮化铭的陶瓷涂层通过PVD加工施加，据此待沉积为涂层的材 料在沿活塞环凝结的方向上通过低压气体(或等离子）由原子或分子形式的固体源蒸发。涂 层在基质上的形成依赖于蒸发的材料W及基质的材料、表面的条件、可获得的能量(溫度和 离子撞击)W及根据环境(化学反应、反应沉积等）。
[0009] PVD加工对于摩擦涂层的生产呈现出一些有益的优点，诸如，例如，（i)W非常低的 工作压力运转并由此给予高纯度材料的可能的合成的可能性；（ii)由于通过离子撞击"清 洁"基质表面的可能性引起的涂层与基质的粘接的改进；（iii)涂层的统一厚度；（iv)对涂 层的晶体结构的控制；W及(V)相对低的沉积溫度。作为额外的优点，离子撞击提升了外延 生长并改进了原子迁移率，且由于在大多数情况下不设及有毒的产品或方法，所W通常不 利用污水或污染物。
[0010] 在高速柴油类型的发动机的具体情况中，由于所达到的高燃烧压力和高转速，活 塞环被非常地加压，特别是压缩环。针对该原因，压缩环通常被规定具有由整体氮化的不诱 钢组成、具有通过PVD加工凭经验施加至外面的耐磨涂层的基座。
[0011] 运种类型的活塞为人们所知的是其高机械强度W及由此带来的高价格，尽管在甚 至它们没有设法不仅在涂层中而且在整个活塞环中防止裂缝的出现和扩散的一些应用中， 运可能导致需要解体发动机的灾难性的失效。
[0012] 在运些场合中，裂缝作为分别将横向面接合至上面和下面的边缘的上下倒角处开 始。在一些情况下，裂缝通过整个活塞环截面的扩散而终结，使部件破裂并且需要完成发动 机的解体。
[0013] 带有解决运个困难的目标，美国专利US6508473披露了一种基于在上面和下面上 经过氮化的不诱钢的活塞环。经过氮化的面具有700HV的硬度。活塞环进一步包括在其与气 缸/内衬接触的外面上的硬涂层的薄膜，从上面和下面间隔从0.0001mm至0.3mm。根据该专 利，该间隔虽然极小，但W合理的使用限制防止了裂缝的扩散，然而在严重使用的状态下， 运种技术无法保证活塞环的强度。
[0014] 直到现在，活塞环，尤其是压缩环或第一沟槽环尚未开发为实现在严重使用中所 要求的耐久性的标准，诸如W高供给压力和高转速运转的柴油发动机所要求的标准。
[001引发明目的
[0016] 本发明具有如下目的：提供一种活塞环、特别是用于内燃机、甚至当在W高供给压 力和高转速运转的柴油发动机的临界运转条件下工作时也不出现潜在的灾难性的裂缝的 压缩环或第一沟槽环。
[0017] 本发明还具有如下目的：提供一种活塞环，特别是基于马氏体不诱钢的、用于内燃 机而设计的、具有经过氮化的上面、下面和内面，W及与气缸/内衬的壁接触、未经氮化并且 设置有至少一层通过离子电锻加工施加的涂层的外面的压缩环或第一沟槽环。
[0018] 而且，本发明具有如下目的：提供一种活塞环，特别是用于内燃机、用于在高供给 压力和高转速运转的柴油发动机、满足设计和耐久性目标并且相对于当前使用的活塞环保 持有竞争力的制造成本的压缩环或第一沟槽环。
[0019] 最后，本发明具有提供一种在前述=段中具体化的制造加工的目的。
【发明内容】
[0020] 本发明的目的由用于在内燃机的活塞的活塞沟槽中使用的活塞环实现，所述活塞 环设置有主体，所述主体由限定面向活塞头的上部，相反的、面向活塞裙的下部，面向活塞 沟槽的内部W及相反的、在气缸壁或内衬上滑动的外部的含铁材料组成，所述上部和外部 基本上相互正交并且限定上倒角，而所述下部和外部基本上相互正交并且限定下倒角，其 中（i)所述上部、下部W及内部被氮化，并且(ii)所述外部和所述上倒角W及下倒角未被氮 化并且涂覆有至少一个通过离子电锻加工而沉积的涂层。
[0021] 另外地，本发明的目的由用于制造如在W上段落中所限定的活塞环的加工过程实 现，其包括W下阶段：
[0022] 阶段（i):对上部、下部W及内部进行氮化，W及
[0023] 阶段(ii):通过离子电锻加工在外部和上倒角W及下倒角上沉积至少一个涂层。
【附图说明】
[0024] 将基于在附图中描绘的实施例的示例在下文中更加详细地描述本发明。附图示出 了：
[0025] 图1为任一压缩环的示意性立体视图。
[0026] 图2为截面裂缝/损坏后的现有技术的压缩环的放大截面视图。
[0027] 图3为现有技术的压缩环的上倒角区域中的显微镜截面视图。
[0028] 图4为现有技术的压缩环的下倒角区域中的显微镜截面视图。
[0029] 图5为本发明的活塞环客体的非限定性实施例的示意性平面视图。
[0030] 图5A为在图5中图示的活塞环的截面A-A的示意性视图。
[0031] 图5B为在图5和图5A中图示的活塞环的截面A-A的放大示意性视图。
[0032] 图6为本发明的活塞环客体的非限定性实施例的上倒角区域中的显微镜截面视 图。
[0033] 图7为用于疲劳测试的具有六个本发明的活塞环客体的测试设备的视图。
[0034] 图8为活塞环在图7中图示的设备中经受的应力的示意性视图。
[0035] 图9为描绘了活塞环在由图7中图示的设备实现的疲劳测试的周期期间所经受的 应力的图表。
【具体实施方式】
[0036] 图示意性的形式描绘了用于内燃机中的任一活塞环。本发明设及用于内燃机 的活塞的活塞沟槽中的活塞环。本发明的活塞环1客体的优选实施例为根据存在高燃烧压 力的高转速柴油循环而运转的发动机(高速柴油型）的压缩环，然而清楚的是，其可W采用 任何其他所需的或期望的实施例，诸如第二沟槽环、油环或者甚至是任何其他实施例。
[0037] 图2披露了在高速柴油型的发动机中使用的现有技术的活塞环。可W看出截面裂 缝/损坏后的现有技术的压缩环的放大截面视图。附图允许看出在下倒角处出现的裂缝的 开始，并且经过一段时间，跨过活塞环的截面而扩散直到灾难性的失效，从而需要解体发动 机。
[0038]
【申请人】已经使用压缩环、现有技术的活塞环的运种类型实施了全面的测试。所述 压缩环具有由整体氮化的不诱钢组成、具有通过PVD加工凭经验施加至外面的耐磨涂层的 基座。
[0039] 从研究中，
【申请人】总结如下：
[0040] (i)灾难性失效的类型设及通过PVD施加的并且在氮化表面上的涂层^当涂层被 直接施加在含铁的基座材料上时，虽然存在关于通过摩擦的磨损的担屯、，但抗裂性更大；
[0041] (ii)裂缝/裂隙从活塞环的开口的区域并且在下倒角处W大约180°开始。
[0042] (iii)在倒角的区域中，裂缝/裂隙的出现比氮化层的厚度更大。
[0043] 图3和图4图示了分别在现有技术的压缩环的上下倒角的区域中的现有技术的压 缩环显微镜截面视图。在运些附图中，可W清楚地看出在倒角上的通过PVD施加有涂层的氮 化层11的更大的厚度。
[0044] 作为研究和开发的基础，
【申请人】已经开发了极好地满足了高速柴油发动机的技术 要求的本发明的活塞环1。
[0045] 在几何学上，本发明的活塞环1客体像任何环一样，也就是说，在内燃机的活塞的 沟槽中使用的活塞环，所述活塞环设置有主体6,所述主体6由限定面向活塞头的上部2、相 反的面向活塞裙的下部3、面向活塞的沟槽的内部4W及相反的在气缸壁或内衬上滑动的外 部5(运些稍后不图示出）的含铁材料组成。
[0046] 上部2和外部5基本上相互正交并且限定上倒角Cs，然而下部3和外部5也基本上相 互正交，限定下倒角Ci。
[0047] 在优选的方式中，主体6由包含基本上13%至18%的铭的不诱钢构成，该材料最适 合高转速柴油发动机的应力，然而清楚的是，如果必要或需要，其可W改变。在甚至更优选 的、但并非习惯性的方式中，所使用的不诱钢具有在下面的表格中示出的成分。
[004引
[0049]
[0050] 本发明的活塞环1客体的杰出的创新在于W下事实:上部2、下部3W及内部4被氮 化(参见可在图5B和图6中看出的CN层），连同内部5和上倒角CsW及下倒角Ci未被氮化并涂 覆有至少一层通过离子电锻加工而沉积的涂层7。
[0051] 在优选的、但并非习惯性的方式中，所施加的涂层由大部分通过CrN相形成的氮化 铭组成，然而清楚的是，可W使用其他替代方式，诸如氮化铭的大部分具有CnN相，氮化妮 涂层、氮化铭的多层涂层，或者氮化铭和氮化妮，或者甚至任何其他必要或需要的层。在本 发明的优选的实施例中，涂层7的层具有基本上20微米的厚度。
[0052] 本发明的活塞环1客体的进一步的创新特性在于W下事实:被氮化的部分(上部2、 下部3W及内部4)经受创建具有大约700HV的减小的硬度的低硬度的氮化层的处理。作为在 该产品中使用的加工，能够描述气体氮化的传统加工。确保硬度低的是经调整的处理参数， 诸如确保氮化层中的最大硬度W防止裂缝/裂隙的形成W及接下来的活塞环的损坏/破裂。
[0053] 图7为用于疲劳测试的具有六个本发明的活塞环客体的测试设备的视图。如可W 看出的，机器包括具有夹紧和紧固六个活塞环的装置的两个头部，W便每个头部将活塞环 相邻地固定至其开口。在测试期间，如可W在图8中看出的，机器使活塞环的开口端点接近 到一起地移动并将它们分离W便活塞环在最大开口 Amax的位置和最小开口 Amin的位置之 间被强制。
[0054] 轮到图9,其示出了活塞环在由图7中图示的设备实施的疲劳测试的周期期间所经 受的应力的图表。通过现有技术的状态的活塞环，在一定数量的周期后发生零件的破损/破 裂，然而持续进行该测试的本发明的活塞环1客体没有破损/破裂。
[0055] 本文披露的用于活塞环的制造的加工也是新的发明，其包括W下阶段：
[0056] 阶段（i):通过离子电锻加工在外部5上W及在上倒角Cs和下倒角Ci上沉积至少一 个涂层7。
[0057] 阶段（ii):对上部2、下部3W及内部4进行氮化。
[0058] 如上所述，在阶段（i)中施加的涂层7为W优选的方式由CrN形成并且具有基本上 20微米的优先厚度的氮化铭层。
[0059] 最后，加工额外地包括在经氮化的部分中创建具有低厚度的氮化层的处理的阶 段。
[0060] 已经对优选的实施例的示例进行了描述，应当理解的是，本发明的范围包括其他 可能的变化，本发明的范围仅由所附的包括可能的等同替代方式的权利要求书的内容限 定。
【主权项】
1. 一种活塞环，用于在内燃机的活塞的活塞沟槽中使用，所述活塞环设置有主体(6)， 所述主体(6)由限定面向活塞头的上部（2)，相反的、面向活塞裙的下部（3)，面向活塞沟槽 的内部(4)以及相反的、在气缸壁或内衬上滑动的外部(5)的含铁材料组成，所述上部和外 部(2,5)基本上相互正交并且限定上倒角(Cs)，而所述下部和外部(3,5)基本上相互正交并 且限定下倒角（Ci)，所述活塞环的特征在于，（i)所述上部、下部以及内部（2，3,4)被氮化 (CN)，并且（ii)所述外部(5)和所述上倒角以及下倒角(Cs，Ci)未被氮化并且涂覆有至少一 个通过离子电镀加工而沉积的涂层（7)，并且被氮化的部分的硬度是浅薄的并且最大为 700HV。2. 根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于其为压缩环或第一沟槽环。3. 根据权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于所述主体(6)由包含13%至18%的铬 的不锈钢组成。4. 根据权利要求1、2或3所述的活塞环，其特征在于所述涂层(7)为大部分由CrN形成的 氮化铬的层。5. 根据权利要求4所述的活塞环，其特征在于所述涂层(7)具有基本上20微米的厚度。6. 根据前面权利要求中的任一项所述的活塞环，其特征在于经氮化的部分经受创建具 有低硬度的氮化层的处理。7. 用于制造如权利要求1至6所限定的活塞环的加工过程，其特征在于其包括以下阶 段： 阶段(i):对上部、下部以及内部(2,3,4)进行氮化，以及 阶段(ii):通过离子电镀加工在外部(5)和上倒角以及下倒角(Cs，Ci)上沉积至少一个 涂层(7)。8. 根据权利要求7所述的加工过程，其特征在于在阶段(ii)中施加的所述涂层(7)为主 要由CrN形成的氮化铬的层。9. 根据权利要求7或8所述的加工，其特征在于在阶段（ii)中施加的所述涂层(7)具有 基本上20微米的厚度。10. 根据权利要求7、8或9所述的加工，其特征在于其进一步包括在被氮化的部分中创 建具有低厚度的氮化层的处理的阶段。
【文档编号】C23C14/06GK106062442SQ201580009090
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月9日
【发明人】萨纳德拉·马托斯·科代罗·科斯塔, 吉塞拉·阿布拉斯·马克斯
【申请人】马勒金属立夫有限公司, 马勒国际有限公司