[发明专利]活塞环

说明书

本发明涉及一种活塞环，其是为了用于内燃机和/或压缩机的活塞凹槽而特别设计的，该活塞环具有金属基体，在该金属基体的全部表面上施加有仅由扩散层构成的渗氮层。

背景技术

在具有一个或多个活塞（其布置在各气缸的内部,并且每个活塞均包括一个或多个环）的内燃机上，当发动机运行时，这些环会发生严重的应变。

确保环的耐磨性以使其能够具有长使用寿命的方式之一是将一层或多层覆层施加至基体金属上，在基体金属上构建覆层。由此，即使活塞在气缸内部经历数百万次的位移之后，针对耐磨损性和耐磨耗性而专门研发的覆层也能够维持环的性能特性。

活塞环中最常规的表面处理之一是通过在翼面（wing surface）上形成渗氮层而实现的，但也可以在环表面上沉积其他覆层。

应当注意的是，渗氮层包括两层：扩散层以及随后的由氮化铁相构成的白层。

现有技术的环与此相同，因此制造渗氮活塞环的常规工艺既具有扩散层也具有化合物层。其特征为：该白层非常坚硬、易碎，并且是多孔的。由此，活塞环的活动边缘（live edge）成为张力集中点。当这些区域包括渗氮白层时，张力集中程度显著增加，这会导致环更快断裂。

图1确切地示出了上述现象。仔细观察图1，其示出了裂缝是如何从左下方的倒角开始扩展到整个断面的，这是活塞环的典型情况。

虽然有证据表明压缩残余张力对于防止裂缝的产生是有利的，但是当它存在于活塞环的边缘处时，该压缩残余张力却是不同的情况。

如图2所示，在接近边缘区域的环表面上的渗氮层中产生了向量V1和V2。该边缘区域中向量V1和V2的压缩张力的组合产生了向量V3，这会促使部件形成裂缝，并且当该部件经受运行条件时，可能会导致部件断裂。

应当注意的是，活塞环还包括硬质膜，该硬质膜是通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）而生成的。在现有技术的方案中，将形成硬质膜的环表面需要除去硬质层中的化合物，以提高该硬质膜的粘附力。

通常，用于除去白层的方法需要通过磨削工艺对环进行机械加工。由于机械加工过程中会产生切削力，因此这些工艺被认为是潜在的裂缝形成因素。考虑到倒角区域中的渗氮层已经具有高残余张力，所述机械加工可能会导致在表面上形成微小的裂缝。假定活塞环受到了环形物理应力，那么微小的裂缝也可能会容易地导致部件断裂。

下表中所示的结果表明，对现有技术的渗氮层进行机械加工后残余张力升高。应当注意的是，机械加工后，渗氮后的残余张力升高了大约300MPa至大约600MPa。

表1：渗氮后和机械加工后的残余张力值之间的比较

为了改善渗氮活塞环（其当然也可具有硬质膜）的抗断裂性，已经提出了各种替代的解决方案。代表这类尝试的第一种现有技术是由美国专利6,698,736提出的，其涉及了这样一种活塞环：该活塞环中的渗氮层被从倒角区域中完全除去，因为该渗氮层的存在对抗断裂性是有害的。

因此，该文献公开了需要对具有活动边缘或带有极小倒角的环进行渗氮，否则不能完全除去这些区域中的渗氮层。如上文所说明的那样，这些区域是张力的高度集中点，此处的张力随着渗氮作用而升高。在此方面，美国专利6,698,736所提出的技术是有缺陷的，这是因为如果不能完全除去边缘处的渗氮层，那么残余渗氮层中所含有的残余张力将会削弱部件的抗断裂性。

另一个现有技术是由日本专利申请JP2002-061746提出的，其描述了这样一种活塞环，其具有铸铁或钢的金属基体。该环在外表面的轴中心区域中包括凹形部分，该外表面上形成有渗氮层。在除去倒角和拐角区域处的渗氮层后，将硬质陶瓷膜层沉积在该外表面上。正如上述专利的技术中提到的那样，通过机械加工或通过磨削工艺将渗氮层从拐角处除去以形成倒角。为了使该技术更加可行，所必需的是，拐角应当在接收渗氮层之前具有活动边缘，否则将不能完全除去渗氮层。因此，对具有高水平张力的渗氮活动边缘进行机械加工会导致形成裂缝，这将会损害环的耐受性，从而导致其断裂。