[发明专利]用于活塞环的耐磨涂层

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的用于内燃机的活塞环的耐磨涂层，以及一种用于在活塞环的生产过程中涂覆这种耐磨涂层的方法。

背景技术

活塞环是活塞上的密封元件，例如在内燃机或往复式压缩机中。在内燃机中，活塞环封闭活塞头和气缸壁之间的间隙，密封燃烧室。在现代内燃机中，每个气缸通常使用三个活塞环，它们的设计根据安装位置的不同而不同。最接近燃烧室的活塞环，也称之为压缩环，其主要任务是建立密封和散热。底环，称之为刮油环，刮除气缸壁上的润滑油，并调节油膜，顶环在冲程中滑过该油膜。中环帮助控制油平衡，并提供额外的燃烧气体隔离。

由于活塞上下运动，活塞环的外圆周表面稳定的弹性接触气缸壁滑动，同时活塞环由于活塞的摇摆运动在它的环槽中振动，在其中，其边缘交替的支承在活塞环槽的顶部和底部侧面。由于滑动两方相对对方表面持续滑动，磨损程度取决于材料，在干运转的情况下会导致烧结、划伤并最终损坏发动机。

在内燃机的高应力部件的制造中，如前面所叙述的活塞环，最经常使用的是铸铁或铸铁合金。在高应力内燃机中，例如4冲程和2冲程发动机，活塞环，尤其压缩环，受到不断增加的负荷。这些包括，例如，高压缩峰值压力、高燃烧温度和减少的润滑膜，所有这些作用在活塞环上，对功能特性，如耐磨性、耐擦伤性、耐微型焊接性和耐腐蚀性等具有决定性影响。

更高的峰值点火压力、更低的排放和燃油直喷技术进一步给活塞环增加了负荷。后果可能会是损坏活塞的材料和镀层，尤其较低位置的活塞环侧面。

随着活塞环上的机械和动态应力增加，越来越多的发动机制造商要求活塞环的高等级钢的需求(调质合金钢，如材料1.4112)。钢材料具有比铸铁更好的强度和韧性等优点，因为在微观结构上没有游离石墨的干扰。最常用来制造钢活塞环的材料是高铬合金马氏体钢。

为了进一步改善活塞环在运行时的运行状况，它们进行表面处理，例如锡和铜层的应用，以提高滑动性，锌或锰磷酸盐涂层用于加速磨合性，并抛光以减少腐蚀。

另一方面，滑动表面也做专门处理以增加固有的耐磨性，并减少磨损和粘着磨损，例如通过渗铬处理，沉积金属陶瓷复合层或钼层，或通过氮化或氮碳共渗一种品牌名称为MKP200的商用活塞环涂层，其包含钼和Cr₂C₃-NiCr的复合材料。

然而，即使使用这样的涂层，活塞环仍然没有足够的耐磨性、耐擦伤性和耐腐蚀性，尤其是当人们考虑到未来的发动机具有更高的工作负荷时。一个原因，但不是唯一的原因，是保护层的高孔隙率，约10～15％，并且耐磨组分在该层中的比例的限度取决于所用的喷涂工艺。

另一个问题在于大容量发动机的活塞环需要，例如，气缸直径大约在190mm到1,000mm需要活塞环上的涂层足够厚以确保30,000小时的期望使用寿命。然而，随着涂层变厚，用在活塞环和涂层中的材料的不同的膨胀系数以及不同的热导率所带来的问题也越显著。

为了减少磨损，尤其是位于活塞槽中的活塞环间隙，高耐磨层体系需要在对以下参数的平衡方式方面具备良好的特性：硬度、杨氏模量、剪切强度、热稳定性、可制造性和成本。

因此，本发明的一个目的在于提供一种改进的磨损保护层和涂覆方法，由此活塞环的磨损性能可以进一步改善。

发明内容

根据本发明实现该目的的耐磨层包括以下比例的元素：

15～25％重量比的铁(Fe)，10～20％重量比的钨(W)，20～30％重量比的铬(Cr)，15～25％重量比的镍(Ni)，1～5％重量比的钼(Mo)，0.1～0.5％重量比的磷(P)，0.01～0.1％重量比的硼(B)，0.1～5％重量比的碳(C)，0.1～2％重量比的硅(Si)。

至少30％的铁和镍含量的组合物和耐磨层在基体和涂层之间导致一个准均相体系，其结果是混合摩擦产生的热能消散的更有效，尤其在上止点(TDC)或下至点(BDC)区域，一个均匀的热弛豫过程由存在于发动机中的温度波动所保证。因此，与活塞环自身相比，磨损保护层具有优良的导热性，并且热膨胀系数仅有很小的差别。使用铁基合金作为活塞环基础涂覆材料，与钼、Ni-Cr-P-Si-B化合物和碳化物体系一起，导致一个新型活塞环产品。

附图说明

图1示出了由扫描电子显微镜(SEM)观测到的TS-V1变体的微观结构；

图2示出了由扫描电子显微镜(SEM)观测到的TS-V2变体的微观结构；

图3示出了TS-V2的相1的增加导致碳化物浓度的增加；