活塞環(huán)及制造方法技術

用于往復式內燃機的活塞的活塞環(huán)及制造活塞環(huán)的方法。所述活塞環(huán)包括具有外周表面的主體。摩擦涂層形成在所述主體的外周表面上。所述摩擦涂層具有多層結構，并且包括較硬的基層和覆蓋在所述基層上的較多孔的頂層。

Piston ring and manufacturing method

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】活塞環(huán)及制造方法
本公開主要涉及一種用于往復式發(fā)動機的活塞的活塞環(huán)，并且更具體地，涉及用于活塞環(huán)的涂層。
技術介紹
活塞環(huán)是開口的環(huán)，其裝配到形成在諸如內燃機的往復式發(fā)動機的活塞的外周中的環(huán)形槽中。典型的活塞配備有多個活塞環(huán)，包括上壓縮環(huán)、控油環(huán)和刮油環(huán)。許多活塞環(huán)構成為具有比布置它們的氣缸大的松弛直徑。當布置在發(fā)動機的氣缸內時，活塞環(huán)由于其固有的彈簧力而在活塞周圍被壓縮，這確保了環(huán)與氣缸的內壁之間的足夠的徑向接觸。在發(fā)動機運行期間，活塞在氣缸內上下移動，并且由活塞環(huán)施加在氣缸壁上的徑向壓力在活塞周圍提供將燃燒室與曲軸箱隔離的密封。來自燃燒室的氣體壓力可以通過將活塞環(huán)向外推并增加活塞環(huán)與氣缸壁之間的徑向接觸壓力來提高活塞環(huán)的密封能力。活塞與氣缸的內壁之間的有效氣密密封對于有效的發(fā)動機運行是必需的，并且是壓縮型活塞環(huán)的主要職責。壓縮環(huán)位于最靠近燃燒室的位置并且有助于防止已知的“漏氣”現(xiàn)象，其中燃燒氣體通過活塞環(huán)而從燃燒室泄漏到曲軸箱中。另外，壓縮環(huán)還通過防止?jié)櫥恍枰倪^量的油從曲軸箱沿相反的方向進入到燃燒室中來幫助控制油耗。為了在燃燒室與曲軸箱之間獲得有效的密封，壓縮環(huán)必須始終且完全接觸氣缸的內壁。然而，由于制造公差以及施加在發(fā)動機上的熱負荷和機械負荷，環(huán)的形狀可能并不總是與布置環(huán)的氣缸的形狀匹配。初始組裝新的“綠色”發(fā)動機后，活塞環(huán)可能無法完全符合布置它們的氣缸的形狀。在這種情況下，活塞環(huán)必須經(jīng)歷磨合或磨合階段，其中活塞環(huán)通過物理磨損氣缸壁而被安置到氣缸壁，直到在兩者之間建立有效的氣密密封為止。在此初始磨合期間，由于活塞環(huán)與氣缸壁之間的接觸壓力中的間隙或局部變化，可能會導致燃燒氣體漏氣以及發(fā)動機的過量的油耗。因此，期望減少初始磨合階段的持續(xù)時間，使得發(fā)動機盡快達到其最佳運行效率。一些改善發(fā)動機磨合性能的方法涉及將犧牲性或耐磨性涂層施加到滑動部件的配合或接觸表面上。這些犧牲性涂層被設計成在發(fā)動機初始運行期間必要時容易磨損，使得滑動部件的接觸輪廓彼此快速貼合，而在它們之間幾乎沒有留下間隙。為了實現(xiàn)期望的耐磨級別，這種涂層通常由聚合物材料和/或干潤滑劑制成，它們能夠容易地磨損和/或從一個接觸表面轉移到另一個接觸表面。然而，這些聚合物材料和/或干潤滑劑的磨損部分可能污染發(fā)動機的工作環(huán)境和/或可能損害滑動部件的接觸表面。因此，在本領域中仍然需要增強發(fā)動機磨合性能的改進方法。
技術實現(xiàn)思路
提供了一種活塞環(huán)，其包括具有外周表面的主體。在主體的外周表面上形成摩擦涂層。摩擦涂層包括基層和覆蓋該基層的頂層。頂層可以包括基于過渡金屬的氮化物的材料，其中過渡金屬可以選自由鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)以及它們的組合組成的組。與基層的孔隙率和維氏硬度相比，頂層可以具有相對較高的孔隙率和相對較低的維氏硬度。在一種形式中，摩擦涂層的基層可以包括基于過渡金屬的氮化物的材料，并且過渡金屬可以選自由鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)以及它們的組合組成的組。在另一形式中，基層可以包括類金剛石碳(DLC)基材料。摩擦涂層的頂層可以限定活塞環(huán)的氣缸壁接合表面，并且可以具有呈現(xiàn)出多個谷和脊的輪廓。可以在主體的外表面上形成氮化層，并且可以在主體的外表面上在氮化層與摩擦涂層之間沉積中間涂層。摩擦涂層可以通過物理氣相沉積(PVD)工藝沉積在活塞環(huán)的外周表面上。物理氣相沉積工藝的至少一個工藝參數(shù)可以在沉積工藝的中途進行修改，使得摩擦涂層的頂層與下面的基層相比展現(xiàn)出較高的孔隙率和較低的維氏硬度。如上所述，活塞環(huán)可以與活塞結合使用，并且布置在往復式內燃機的氣缸內，以在燃燒室與曲軸箱之間圍繞活塞形成密封。附圖說明圖1為用于往復式內燃機的活塞和連接桿組件的示意性側視圖；圖2是活塞環(huán)的示意性立體圖；圖3是沿著線3-3剖切的圖2的活塞環(huán)的示意性剖視圖；以及圖4是活塞環(huán)的接觸表面的一部分的示意性剖視圖。具體實施方式當前公開的摩擦涂層可以形成在滑動部件(諸如用于往復式內燃機的活塞的活塞環(huán))上。當摩擦涂層形成在活塞環(huán)(諸如上壓縮環(huán))的外周表面上時，與現(xiàn)有技術的活塞環(huán)相比，摩擦涂層可以為活塞環(huán)提供優(yōu)異的短期和長期性能。例如，當前公開的摩擦涂層可以允許在相對短的時間內在活塞周圍形成有效的氣密密封，這可以通過減少燃燒氣體漏氣和過量的油耗來幫助穩(wěn)定發(fā)動機性能。另外，摩擦涂層可以在活塞環(huán)的整個壽命期間為活塞環(huán)提供出色的高溫耐磨性、硬度以及低摩擦阻力。圖1示出了用于往復式內燃機(未示出)的氣缸12中的活塞和連接桿組件10。組件10具有中心縱向軸線A并且包括活塞14和連接桿16。當布置在氣缸12內時，燃燒室(未示出)通常位于活塞14的上表面的正上方，并且包含潤滑油的曲軸箱(未示出)通常位于活塞14的下表面的下方。活塞14具有包括上冠部18和下裙部20的主體。多個環(huán)形槽22形成在活塞14的冠部18的外周周圍，并且尺寸設置成容納活塞環(huán)，例如，上壓縮環(huán)24、下壓縮環(huán)26以及控油環(huán)28。活塞環(huán)24、26、28中的每個在其外周具有適于與氣缸12的內壁接觸并沿著氣缸12的內壁滑動的氣缸壁接合表面或者接觸表面。在活塞14的裙部20中形成有銷孔30，銷孔30的尺寸設置成接納用于將活塞14連接至連接桿16的小端的活塞銷32。圖2和圖3示出了用于諸如圖1中所示的活塞14的往復式內燃機的活塞的活塞環(huán)110。活塞環(huán)110包括開口的環(huán)形主體112，該開口的環(huán)形主體112具有包括上表面114、下表面116、內周表面118以及在上表面114與下表面116之間延伸的外周表面120的外表面。在橫截面中，圖2和圖3所示的活塞環(huán)110具有梯形形狀，所述梯形形狀具有錐形的上表面114和下表面116。然而，活塞環(huán)110可以展現(xiàn)出各種其他橫截面形狀，例如矩形。另外，如圖2和圖3所示，活塞環(huán)110的外周表面120的截面輪廓可以是大致筆直的，或者它可以在上表面114與下表面116之間遵循成角度的或拱形的路徑。環(huán)形主體112可以由鑄鐵(例如，灰鑄鐵或球墨鑄鐵)、鋼(例如，不銹鋼)或任何其他合適的含鐵金屬或者合金制成。可以基于活塞環(huán)110的應用以及期望的性能特征，和/或基于任何上面的涂層的組成來選擇環(huán)形主體112的材料。擴散氮化層122可以形成在環(huán)形主體112的外表面處，盡管這不是必須的。氮化層122可以通過任何已知的氮化工藝形成。例如，可以通過將環(huán)形主體112加熱到合適的溫度并且使環(huán)形主體112暴露于含氮氣體例如氨(NH3)來形成氮化層122。氮化層122可以從活塞環(huán)110的環(huán)形主體112的外表面以在10-170μm的范圍內的深度延伸。可以基于活塞環(huán)110的尺寸來選擇在主體112的外表面處的氮化層122的實際深度，并且還可以被選擇為賦予活塞環(huán)110某些期望的機械和/或物理特性，包括高硬度、耐磨性、耐擦性能以及改善的疲勞壽命。或者，可以使環(huán)形主體112的外表面經(jīng)受不同類型的熱化學表面處理工藝，以在環(huán)形主本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
1.一種活塞環(huán)，包括：/n主體，其具有外周表面；以及/n摩擦涂層，其覆蓋在所述主體的所述外周表面上，所述摩擦涂層包括基層和覆蓋在所述基層上的頂層，/n其中，所述頂層包括基于過渡金屬的氮化物的材料，所述過渡金屬選自由鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)以及它們的組合組成的組，并且/n其中，與所述基層的孔隙率和維氏硬度相比，所述頂層具有相對較高的孔隙率和相對較低的維氏硬度。/n

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】20170602 US 15/612,0621.一種活塞環(huán)，包括：
主體，其具有外周表面；以及
摩擦涂層，其覆蓋在所述主體的所述外周表面上，所述摩擦涂層包括基層和覆蓋在所述基層上的頂層，
其中，所述頂層包括基于過渡金屬的氮化物的材料，所述過渡金屬選自由鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)以及它們的組合組成的組，并且
其中，與所述基層的孔隙率和維氏硬度相比，所述頂層具有相對較高的孔隙率和相對較低的維氏硬度。


2.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)，其中，所述頂層的維氏硬度與所述基層的維氏硬度的比率可以在0.2：1至0.7：1的范圍中。


3.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)，其中，所述頂層具有在800-1200HV的范圍中的維氏硬度，而所述基層具有在1300-2500HV的范圍中的維氏硬度。


4.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)，其中，所述基層包括基于過渡金屬的氮化物的材料，所述過渡金屬選自由鈦(Ti)、鋯(Zr)、釩(V)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鎢(W)以及它們的組合組成的組，并且其中，所述基層具有在1300-1700HV的范圍中的維氏硬度。


5.根據(jù)權利要求4所述的活塞環(huán)，其中，所述頂層的維氏硬度與所述基層的維氏硬度的比率可以在0.5：1至0.7：1的范圍中。


6.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)，其中，所述基層包括基于類金剛石碳(DLC)的材料，所述材料具有在1800-2500HV的范圍中的維氏硬度。


7.根據(jù)權利要求6所述的活塞環(huán)，其中，所述頂層的維氏硬度與所述基層的維氏硬度的比率可以在0.2：1至0.6：1的范圍中。


8.根據(jù)權利要求1所述的活塞環(huán)，其中，所述頂層包括基于鉻的氮化物的材料。


9.根據(jù)權利要求8所述的活塞環(huán)，其中，所述基層包括基于鉻的氮化物的材料。


10.根據(jù)權利要求9所述的活塞環(huán)，其中，所述基于鉻的氮化物的材料包括40-70原子百分...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：法比奧·曼德斯·德·阿勞約，若澤·瓦倫廷·利馬·薩拉班多，
申請(專利權)人：馬勒國際有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：德國;DE