[发明专利]活塞环

说明书

技术领域

本发明涉及一种尤其用于在内燃机或各种压缩机中使用的活塞环，活塞环配备有主要通过金属和陶瓷形成的多层交替的涂层。结果，该环具有优异的抗摩擦和抗腐蚀的性能。

背景技术

内燃机基本上通过两个主要部件构成：气缸座(一个或多个气缸和曲轴组件位于气缸座处)，与气缸座相关联的一个或多个气缸盖。曲轴组件由活塞、连杆和通过曲轴构成，要强调的事实是，活塞通常为铝合金的圆柱形部件，活塞在气缸内侧移动。

限定在活塞的上表面、气缸的壁和气缸盖的基部之间的空间对应于燃烧室，其中在柴油发动机中，通常主要通过设在活塞头中的腔体来限定燃烧室。

在燃烧室内侧，发动机将通过混合物(燃料和空气)的燃烧产生的化学能转变成机械能，能够给予轮的移动。

针对在压缩和燃烧期间阻止空气/燃料混合物和排出气体从燃烧室泄漏到油箱中，且还阻止油箱中的油进入燃烧区中，所需的是使用环来在活塞的外部边界与气缸的内壁之间提供滑动密封。

在气缸内侧移动活塞期间，活塞应当完全地附连到气缸的壁上，以便在压缩和燃烧期间阻止空气/燃料混合物和排出气体从燃烧室泄漏到油箱中，且还阻止油箱中的油进入燃烧区中。由于此种解决方案将引起很大的摩擦，故发现的解决方案设计了活塞与气缸的内壁之间的小间隙，围绕活塞放置一个或多个环，以便确保所需的隔离。这种间隙还使得有可能确保空间，以便活塞可用发动机的加热而膨胀，而不会附连到涉及的气缸的壁上，附连到涉及的气缸的壁的该情形将阻止活塞的移动。

通常，更现代的4冲程发动机在各个活塞中使用三个环，两个压缩环和一个油环。定位成离活塞头较近的两个环称为压缩节段，且它们的目的在于确保在活塞进行其压缩移动时的时刻没有气态混合物散逸到油箱的内侧。所谓的油环定位在离活塞头较远的位置中，油环的目的在于当油环移动(尤其是远离气缸盖移动)时，擦掉气缸壁上的多余的油且除去多余的油，控制油'膜'的厚度和防止油不适当的焚烧。

总的来说，活塞环（尤其是压缩环）通过金属基部形成，至少一个涂层施加到金属基部上，涂层与气缸壁进行接触(涂层施加到环的工作表面上)。

涂层的作用非常重要，因为其目的在于给环带来以下的性能：较低的滑动摩擦、良好的抗剥落性、良好的硬度和韧性。然而，这些性能中的许多性能是相反的，且它们中的其中一个性能的增加意味着损失另一个性能的表现，且因此将根据发动机的功能的曲线和根据环在其使用寿命期间将向其提供的作用力来选择待使用的涂层的类型。

通过本领域中的专家提出了一系列复杂的涂层，各种涂层都试图提高所期望的性能。然而，到现在为止，没有一个提出的涂层在同时增大吸收内部应力、高硬度和低厚度的性能中有效，这极大地减少了剥落的出现。

通过专利US5.316.321呈现了第一种现有技术，其涉及用钛合金制造的用于内燃机的活塞环，通过硬膜，使用物理气相沉积(PVD)用于该硬膜的沉积来涂布该活塞环的外部滑动表面。

文献US5.316.321还描述了使用一种或多种类型的膜来涂布活塞环，尤其是TiN(氮化钛)和CrN(氮化铬)。

在专利US5.820.131的情况中呈现了发展的第二种现有技术，其揭示了一种带有涂层的活塞环，该涂层通过单层的Cr₂N或Cr₂N和CrN的混合物的膜形成，其中厚度为3μm至30μm，且氮按照重量计的百分比在11%至17%之间。通过PVD工艺施加该涂层，且涂层的硬度在1300HV至2000HV之间波动。

专利US5,618,590涉及一种通过阴极电弧沉积工艺施加的由一层或多层的膜涂布的活塞环。

文献US5,618,590还描述了施加工艺能够形成第一层和第二层，第一层使用不能够形成碳化物或氮化物的金属(如钴、镍或钼)，第二层使用能够形成碳化物或氮化物的金属(如钛、钒、铬、铁、锆、铌、钨或硅)。

欧洲专利EP0.707.092涉及一种配备有涂层的活塞环，该涂层通过由PVD施加的金属铬和氮化铬的混合物形成。该文献还描述了氮的浓度从金属基部到环的外部逐渐增大。

通过专利US5.601.293呈现了另一种现有技术，其揭示了一种带有涂层的活塞环，该涂层通过由氮化钼、氮化铬构成的单个三元层形成，且氮按照重量计的百分比在4%至22%之间。通过PVD工艺施加该涂层，且涂层的硬度在1400HV至2600HV之间波动。