專利名稱：活塞環的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種尤其用于在內燃機或各種壓縮機中使用的活塞環，活塞環配備有主要通過金屬和陶瓷形成的多層交替的涂層。結果，該環具有優異的抗摩擦和抗腐蝕的性倉泛。
背景技術：
內燃機基本上通過兩個主要部件構成氣缸座(一個或多個氣缸和曲軸組件位于氣缸座處)，與氣缸座相關聯的一個或多個氣缸蓋。曲軸組件由活塞、連桿和通過曲軸構成， 要強調的事實是，活塞通常為鋁合金的圓柱形部件，活塞在氣缸內側移動。限定在活塞的上表面、氣缸的壁和氣缸蓋的基部之間的空間對應于燃燒室，其中在柴油發動機中，通常主要通過設在活塞頭中的腔體來限定燃燒室。在燃燒室內側，發動機將通過混合物(燃料和空氣)的燃燒產生的化學能轉變成機械能，能夠給予輪的移動。針對在壓縮和燃燒期間阻止空氣/燃料混合物和排出氣體從燃燒室泄漏到油箱中，且還阻止油箱中的油進入燃燒區中，所需的是使用環來在活塞的外部邊界與氣缸的內壁之間提供滑動密封。在氣缸內側移動活塞期間，活塞應當完全地附連到氣缸的壁上，以便在壓縮和燃燒期間阻止空氣/燃料混合物和排出氣體從燃燒室泄漏到油箱中，且還阻止油箱中的油進入燃燒區中。由于此種解決方案將引起很大的摩擦，故發現的解決方案設計了活塞與氣缸的內壁之間的小間隙，圍繞活塞放置一個或多個環，以便確保所需的隔離。這種間隙還使得有可能確保空間，以便活塞可用發動機的加熱而膨脹，而不會附連到涉及的氣缸的壁上，附連到涉及的氣缸的壁的該情形將阻止活塞的移動。通常，更現代的4沖程發動機在各個活塞中使用三個環，兩個壓縮環和一個油環。定位成離活塞頭較近的兩個環稱為壓縮節段，且它們的目的在于確保在活塞進行其壓縮移動時的時刻沒有氣態混合物散逸到油箱的內側。所謂的油環定位在離活塞頭較遠的位置中，油環的目的在于當油環移動(尤其是遠離氣缸蓋移動)時，擦掉氣缸壁上的多余的油且除去多余的油，控制油’膜’的厚度和防止油不適當的焚燒。總的來說，活塞環(尤其是壓縮環)通過金屬基部形成，至少一個涂層施加到金屬基部上，涂層與氣缸壁進行接觸(涂層施加到環的工作表面上)。涂層的作用非常重要，因為其目的在于給環帶來以下的性能較低的滑動摩擦、良好的抗剝落性、良好的硬度和韌性。然而，這些性能中的許多性能是相反的，且它們中的其中一個性能的增加意味著損失另一個性能的表現，且因此將根據發動機的功能的曲線和根據環在其使用壽命期間將向其提供的作用力來選擇待使用的涂層的類型。通過本領域中的專家提出了一系列復雜的涂層，各種涂層都試圖提高所期望的性能。然而，到現在為止，沒有一個提出的涂層在同時增大吸收內部應力、高硬度和低厚度的性能中有效，這極大地減少了剝落的出現。
通過專利US5. 316. 321呈現了第一種現有技術，其涉及用鈦合金制造的用于內燃機的活塞環，通過硬膜，使用物理氣相沉積("PVD")用于該硬膜的沉積來涂布該活塞環的外部滑動表面。文獻US5. 316. 321還描述了使用一種或多種類型的膜來涂布活塞環，尤其是TiN (氮化鈦)和CrN (氮化鉻)。在專利US5. 820. 131的情況中呈現了發展的第二種現有技術，其揭示了一種帶有涂層的活塞環，該涂層通過單層的Cr2N或Cr2N和CrN的混合物的膜形成，其中厚度為3 μ m至30 μ m，且氮按照重量計的百分比在11%至17%之間。通過PVD工藝施加該涂層，且涂層的硬度在1300HV至2000HV之間波動。專利US5，618，590涉及一種通過陰極電弧沉積工藝施加的由一層或多層的膜涂布的活塞環。 文獻US5，618，590還描述了施加工藝能夠形成第一層和第二層，第一層使用不能夠形成碳化物或氮化物的金屬(如鈷、鎳或鑰)，第二層使用能夠形成碳化物或氮化物的金屬(如鈦、銀、鉻、鐵、錯、銀、鶴或娃)。歐洲專利ΕΡ0. 707. 092涉及一種配備有涂層的活塞環，該涂層通過由PVD施加的金屬鉻和氮化鉻的混合物形成。該文獻還描述了氮的濃度從金屬基部到環的外部逐漸增大。通過專利US5. 601. 293呈現了另一種現有技術，其揭示了一種帶有涂層的活塞環，該涂層通過由氮化鑰、氮化鉻構成的單個三元層形成，且氮按照重量計的百分比在4%至22%之間。通過PVD工藝施加該涂層，且涂層的硬度在1400HV至2600HV之間波動。日本專利JP6. 293.954涉及一種由單層涂布的活塞環，該單層通過PVD工藝，至少通過氮化鉻形成。形成的該層的晶體還具有從基底的表面延伸至氮化物層的表面的圓柱形式。日本專利JP6. 248.425的文獻描述了通過CrN和/或Cr2N形成的層涂布的活塞環，其中厚度從Iym變化至60 μ m。像以上文獻中那樣，本文獻還描述了形成的層由晶體構成，晶體的圓柱形狀從基底的表面延伸至氮化物層的表面。針對專利JP 2006 316912的日本申請揭示了一種活塞環，該活塞環的金屬基部可由鋼、鋁或鈦合金制成，且金屬基部使用PVD工藝來創造出帶有較少皺褶的表面膜。該文獻還描述了基底的表面上的膜可通過Ti和/或Cr，C，N和O的組合構成。最后，在專利US6. 631. 907中可發現最后一種典型的現有技術，其涉及一種帶有涂層的活塞環，該涂層由通過PVD施加的CrN或Cr2N,或還有氮化物的混合物構成。該文獻還包括施加CrN與Cr2N和金屬Cr的混合物，且較多地報道了組分的按照重量計的百分比。因此，我們注意到的事實是，沒有一種現有技術涉及通過基于鉻的陶瓷層/金屬層交替地形成的多層涂層的形成。換言之，通過提出創新的構造，本發明的目的的活塞環針對(take ahead)通過涂層帶來的性能。第一次提出了多層涂層，多層涂層由以其主要成分為氮化鉻(CrN)和金屬鉻(Cr)交替的多個連續的陶瓷層/金屬層構成。結果，我們獲得了帶有最佳的兩種組分的膜，因為該膜帶來了各個陶瓷層和金屬層的所期望的性能，而不會使得各個膜的弱點變得更強。
考慮到延展性的金屬層(Cr)使得適應硬陶瓷層(CrN)更容易，其中硬陶瓷層提供了涂層的較高硬度和較高耐磨性，而通過金屬鉻形成的層的較高塑性有助于較大減小內部應力的值，使得較厚的涂層成為可能，故使各個化合物的最佳性能更強。在與現有技術，尤其是使用氮化鉻涂層的那些相比時，現在開發的涂層給活塞環帶來了更好的耐磨性、較低彈性模量，且同時較大減小了內部應力的值，減少了涂層中裂紋和隨后的剝落的出現。
發明內容
發明目的
本發明的目的在于一種特別用于在內燃機或壓縮機中使用的活塞環，活塞環配備有基于陶瓷/金屬的多層的原理的涂層。
本發明的目的還在于一種特別計劃成用于在內燃機或壓縮機中使用的活塞環，該 活塞環包括至少一個金屬基部，人們通過物理氣相沉積工藝將金屬鉻和氮化鉻的涂層施加到金屬基部上，以便同時地帶來硬度、耐磨性、延展性和減小彈性模量和內部應力的相反性倉泛。另外，本發明的目的在于一種特別用于在內燃機或壓縮機中使用的活塞環，該活塞環配備有重復的陶瓷/金屬的CrN/Cr涂層，在與現有技術中的帶有氮化鉻涂層的環的涂層的厚度相比時，該涂層具有較小的厚度。最后，本發明的目的在于，在單個施加階段中借助于物理氣相沉積工藝中的氮氣的壓力的變化將重復的陶瓷/金屬涂層施加到金屬活塞環的本體上的工藝。本發明的簡要描述
通過一種特別設計成用于在內燃機或壓縮機中使用的活塞環來達到本發明的目的，該活塞環包括至少一個金屬基部，人們通過物理氣相沉積工藝(PVD)將涂層施加到金屬基部上，該涂層包括通過至少一個第一層和至少一個相鄰的第二層形成的循環部分，其中第一層主要通過金屬鉻形成，而第二層主要通過陶瓷鉻形成。
下文將基于附圖中呈現的實施實例來更為詳細地描述本發明。附圖示出了
圖I為組裝在活塞的小通道上且與氣缸的壁處在摩擦中的本發明的目的的活塞環的示意性橫截面視圖。圖2為允許觀察金屬基部和相應的多層涂層的本發明的目的的活塞環的橫截面的放大金相圖片。
具體實施例方式基本上由于活塞環的涂層3的優點和創新特性，故本發明的目的的活塞環I不同于當前存在的活塞環。我們應當指出的是，環I優選為用于在4沖程內燃機中使用的壓縮環，其中環I可非常良好地具有其它實施例，如用以擦油的環、施加到活塞壓縮機上的環、2沖程發動機的環或甚至任何其它可能的實施例，其中環I給涂層3帶來限定于其中的創新特性。
不論何種優選構造，本發明的活塞環I都包括至少一個金屬基部2，帶有在金屬層5與陶瓷層5’之間交替的多個層(5，5’)的涂層3通過物理氣相沉積(PVD)工藝施加到金屬基部2上。涂層3由金屬/陶瓷的多層5，5’構成，金屬/陶瓷的多層5，5’設置成以便形成至少兩個循環部分P，其中各個循環部分通過至少一個金屬鉻層5和相鄰的至少一個陶瓷鉻層5’形成。此外，基部2由適合其形成的任何金屬材料構成，且基部2可根據環I的特性和環將根據其操作的工作狀態而呈現出各種形狀的橫截面。為此，人們優選使用適于基部2的構成的任何含鐵合金，且清楚的是有可能在存在利益和技術可行性的情況下使用其它材料。更優選地，基部2由通常稱為不銹鋼的帶有10%至17%的鉻的鋼構成。人們將基于鉻的金屬/陶瓷涂層3施加到基部2上，在相比于現有技術 時，即，使用單層氮化鉻涂層的那些，涂層3向環I提供了較高耐磨性、較低彈性模量的性能，且同時提供了內部應力的值的較大減小、減少涂層中的裂紋和隨后的剝落的出現的性能。如上文所述，涂層3包括基于鉻的多層金屬層5/陶瓷層5’，多層金屬層5/陶瓷層5’布置成以便形成循環部分P。因此，循環部分P包括強制性地為不同構造的至少兩個相鄰的層5，5’，即是說，一層5主要具有金屬相，而另一層5’主要具有陶瓷相。因此，涂層3將具有至少四層5，5’。構成涂層3的金屬層5的其中一個品質包括按照其金屬形式的鉻(Cr)(圖2中示為較亮的層)，鉻(Cr)的最重要的機械特性為較高的延展性特性，這使得其較容易適應硬陶瓷層5’。另一方面，陶瓷層5’包括優選為按照CrN形式(但很明顯在其成分中可存在Cr2N和/或其它化合物/元素的減小的百分比)的氮化鉻(圖2中示為較暗的層)，氮化鉻具有作為其最重要的機械特性的高硬度。尤其重要的是注意到陶瓷層5’的氮化鉻還可主要伴隨用Cr2N相來替代CrN相。考慮到前文，清楚的是循環部分P具有主要由Cr構成的至少一個金屬層5和主要由CrN或Cr2N構成的陶瓷層5’。作為優選，如圖2中所示，金屬層5必須定位成鄰近陶瓷層5’，或者反之亦然。結果，有可能確保涂層5，5’在不重復的情況下交替。我們還應當指出的是，任何層5，5’都可沉積在基部2的表面上，且因此有可能將金屬層5和陶瓷層5’兩者作為第一層沉積在基部2上。自然，在各個沉積層之后，人們應當交替不同的層，即，如果將沉積到基部2的表面上的第一層為陶瓷層5’，則應當跟隨金屬層5，或者反之亦然，且然后繼續。作為備選，人們可構想出根據本發明的教導內容的環1，其中作為例外，取決于人們期望提供給涂層3的抵抗性和延展性的品質，可存在相等品質的兩個相鄰的層。如可在圖2中清楚地看到的那樣，環I的優選實施例的涂層3包括九個金屬/陶瓷層5，5’，其中涂層3的層5，5’的品質在不重復的情況下交替。如果需要或期望的話，層5，5’可包括根據人們期望達到的機械性能計算出的按照變化的比例的一種或多種附加化學元素。甚至在獨立層5，5’中出現混合物的情況下，預計的是到達相同程度的優點，即是說，在多層5，5’的涂層3的情況下也預計本發明的已經提到的優點，其中層主要具有陶瓷，而隨后的層主要具有金屬。同樣，在人們使用類似的元素來提供金屬/陶瓷多層涂層的情況下，預計將達到相同的優點。假設保持金屬/陶瓷多層涂層的特性，根據人們期望獲得的涂層的機械性能，此種可能的化學元素可存在于其中至少一個層5，5’中，存在于其中一些層5，5’中，或存在于所有的層5，5’中。請查找涉及通過發明和現有技術實現的各種性能的以下比較表格。
權利要求
1.一種特別計劃成用于在內燃機或壓縮機中使用的活塞環，包括至少一個金屬基部(2)和涂層(3)，所述金屬基部⑵通過物理氣相沉積(PVD)工藝施加涂層(3)到其上，所述涂層(3)包括循環部分(P)，所述循環部分(P)通過為相鄰的層的至少一個第一層(5)和至少一個第二層(5’)形成，其特征在于，所述第一層(5)主要通過金屬鉻(5)形成，并且所述第二層主要通過陶瓷鉻(5’)形成。
2.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述循環部分僅由兩個相鄰的層(5，5’)構成，其中所述第一層(5)主要通過金屬鉻(5)形成，而所述第二層主要通過陶瓷鉻(5’)形成。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的環，其特征在于，所述第一層(5)和所述第二層(5’)含有按照質量計百分比不高于的10%的選自氧或碳構成的組中的附加化學元素。
4.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述涂層的維氏硬度具有1，000HV至2，000HV之間的值。
5.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述涂層(3)的厚度具有范圍從10微米至60微米的值。
6.根據權利要求5所述的環，其特征在于，所述涂層(3)為納米層。
7.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述基部(2)由帶有10%至17%的鉻的鋼構成。
8.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述基部(2)由鑄鐵構成。
9.根據權利要求I所述的環，其特征在于，構成所述第二層(5’)的陶瓷鉻優選為氮化鉻(CrN)，且該第二層具有按照重量計百分比在11%至17%之間的氮。
10.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述氮化鉻層(5’)能夠具有CrN相或Cr2N相。
11.根據權利要求I所述的環，其特征在于，所述環具有定位在所述基部(2)與所述涂層(3)之間的由鉻、鎳或鈷構成的粘合層。
全文摘要
本發明涉及一種特別計劃成用于在內燃機或壓縮機中使用的活塞環，且活塞環包括至少一個金屬基部(2)，通過物理氣相沉積(PVD)施加到金屬基部(2)上的多層涂層(3)，多層涂層(3)帶有循環部分(P)，循環部分(P)為至少一個第一層(5)和至少一個第二層(5')，至少一個第二層(5')與至少一個第一層相鄰，其中第一層(5)主要由金屬鉻(5)構成，而第二層主要由陶瓷鉻(5')構成。
文檔編號F16J9/26GK102869906SQ201080064399
公開日2013年1月9日 申請日期2010年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者J.阿維洛拉勞喬 申請人:馬勒金屬制品有限公司