專利名稱：帶有多層組件的活塞環(huán)及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)及其生產(chǎn)方法，特別是一種內(nèi)燃機(jī)用、帶有多層涂層的大
孔活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
對于活塞環(huán)，以活塞式內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)為例，需要滿足兩個(gè)本質(zhì)相互沖突的要求。 一方面，需要有高的耐磨性，因?yàn)榉駝t，也就是采用較薄的活塞環(huán)，漏氣和油耗都會(huì)增加，且 發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)下降。隨著活塞環(huán)的磨損，氣缸壁和活塞環(huán)之間的間隙會(huì)變得越來越大，因 此燃燒氣體會(huì)更容易溢出通過該活塞環(huán)(所謂的漏氣)，這將會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。由于間 隙變大，留在燃燒室內(nèi)的未剝離油膜將會(huì)變厚，因此每個(gè)單位時(shí)間會(huì)損失更多的油，因此增 加了油耗。 為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的特性盡可能最佳，從而在最好的密封效果和較低的摩擦損失之間 實(shí)現(xiàn)最好可能的折中，因此活塞環(huán)和氣缸壁之間的間隙的尺寸必須保持盡可能精確。但是， 這將要求發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和組裝過程中有復(fù)雜而昂貴的工藝步驟，因?yàn)榉駝t它總是會(huì)出現(xiàn)某 些程度的不可避免的公差。通常，可能稍稍過小的間隙尺寸是可以接受的，活塞環(huán)在運(yùn)行過 程中的磨損可以使其達(dá)到最佳的厚度。理想的情況是，活塞環(huán)的支承面被磨損，直至達(dá)到最 佳的間隙尺寸。這個(gè)過程也被稱為磨合。 另一方面，需要盡可能耐磨的材料，實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)在常規(guī)的運(yùn)行中盡可能少地被磨 損，且間隙很難增大。但是，為了實(shí)現(xiàn)良好的磨合特性，支承面的至少一部分必須能夠相對 較容易地被磨掉，使得在磨合操作中活塞環(huán)和氣缸壁之間可能過小的間隙(例如，由于不 可避免的組件公差)可盡快地變成合適尺寸。 因此，原則上活塞環(huán)設(shè)有涂層，該涂層可產(chǎn)生期望的質(zhì)量。比起采用具有期望特性 但可能很昂貴的材料制造的活塞，這自然更容易處理且更便宜。但采用這樣的涂層帶來了 另一個(gè)要求。除了提供必要的質(zhì)量，該涂層還必須有使得它不會(huì)與活塞環(huán)分離的成分，也就 是，使得它具有良好的附著性能，以附著在下層材料上。假設(shè)該涂層由幾個(gè)不同的層組成， 則各個(gè)層之間良好的粘著性(即良好的粘聚力)是必須的。否則可能有這些層破裂或分離 的危險(xiǎn)，這對發(fā)動(dòng)機(jī)來說是很危險(xiǎn)的。 在與氣缸壁接觸的表面區(qū)域，活塞環(huán)的支承面上的涂層必須是耐磨的。此外，在磨 合階段它自身的磨損必須足夠，以充分適配相對的表面。另外，這些層必須高度抗破裂，并 且在長時(shí)間的使用后沒有或只有非常輕微的疲勞變形。 耐磨涂層由例如硬的鉻合金形成。DE 199 31 829 Al描述了一種用于活塞環(huán)的 電偶(galvanic)硬鉻合金層。用于耐磨涂層的其他材料有含氧化鋁陶瓷的鉻合金(例 如，F(xiàn)ederal Mogul公司的CKS⑧)或者含微鉆石的鉻合金(例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的
GDC )。 附著于<:{:8@耐磨涂層的磨合層是基于例如鉬的，通過線材火焰噴涂的方法在該
耐磨涂層上形成。此處的耐磨涂層是通過之前的噴丸工藝(blastingprocess)形成的。
此外，可通過熱噴涂方式將八10^6合金磨合層附著于0^8@耐磨涂層。但是，必
須首先在0^^@耐磨涂層上涂覆電偶中間層。 但是，具有基于鉻的耐磨涂層且其上附有磨合層的普通活塞環(huán)的磨合和耐磨特性
仍然需要改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種改善了磨合和磨損性能的活塞環(huán)及其生產(chǎn)方法。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種活塞環(huán)，包括 環(huán)體； 通過熱噴涂方式涂覆于所述環(huán)體的支承面上的Ni合金粘合促進(jìn)層； 通過熱噴涂方式涂覆于所述粘合促進(jìn)層上的含CrC、 WC、MoC的Mo合金耐磨涂層； 通過熱噴涂方式涂覆于所述耐磨涂層上的AlCu合金或者Ni-石墨合金磨合層。 根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)，通過使用三個(gè)不同的功能層，提供了耐磨(通過耐磨涂 層)、良好的磨合特性(通過磨合層)以及增強(qiáng)的附著性/粘合性(通過粘合層)的新的有 利組合。不必再加工或者磨光磨合層，卻通過磨合階段發(fā)生的磨損得到最終的形狀。該耐 磨涂層防止在發(fā)動(dòng)機(jī)的極端運(yùn)行條件下發(fā)生過度磨損。粘合促進(jìn)層使這些層最佳地附著在 支承面或者環(huán)體上。 優(yōu)選地，所述粘合促進(jìn)層、所述耐磨涂層以及所述磨合層以過噴(overspray)的 方式形成。 優(yōu)選地，所述環(huán)體包括邊緣具有斜角的排氣槽。 優(yōu)選地，所述斜角具有30。至70°角。優(yōu)選地，所述斜角具有0.5至2.0mm的寬度。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)活塞環(huán)的方法，包括 提供一環(huán)體； 在所述環(huán)體的支承面上熱噴涂Ni合金的粘合促進(jìn)層； 在所述粘合促進(jìn)層上熱噴涂含CrC、 WC、 MoC的Mo合金耐磨涂層；以及 在所述耐磨涂層上熱噴涂AlCu合金或者Ni-石墨合金的磨合層。 所述粘合促進(jìn)層、所述耐磨涂層以及所述磨合層以過噴的方式形成。 優(yōu)選地，所述熱噴涂包括以下涂覆方法 電弧線材涂覆法； 火焰涂覆法； 大氣等離子噴涂APS ;以及 高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡縃VOF。 優(yōu)選地，所述方法還包括 在噴涂所述粘合促進(jìn)層之前，在所述環(huán)體側(cè)面的邊緣設(shè)置斜角。 如果所述環(huán)體具有排氣槽，優(yōu)選地，所述方法還包括 在噴涂所述粘合促進(jìn)層之前，在所述排氣槽的邊緣設(shè)置斜角。 優(yōu)選地，所述斜角具有30°至70°角。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述斜角具有0. 5至2. Omm的寬度。


圖1示出了活塞環(huán)的邊緣修整或者倒斜角的步驟； 圖2示出了斜角的角度和寬度； 圖3示出了粘合促進(jìn)層的噴涂步驟；以及 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的涂覆完成后的活塞環(huán)。
具體實(shí)施例方式
涂覆在活塞環(huán)的支承面上的涂層，除了需要良好且耐溫的粘接(粘著)在載體上、以及在層內(nèi)需要良好且耐溫地粘接(內(nèi)聚力)夕卜，與氣缸壁接觸的表面區(qū)域還必須耐磨。除此之外，在磨合階段它自身或固有的磨損應(yīng)該足夠，以充分適配相對的表面。除此之外，這些涂層應(yīng)該高度抗破裂，同時(shí)即使在長時(shí)間的時(shí)候后沒有或只有非常輕微的疲勞變形。
因此，本發(fā)明的根本目的在于為活塞環(huán)的支承面提供通過火焰噴涂方法形成的耐磨層，該耐摩層可以忍受極端的載荷，但同時(shí)具有良好的磨合特性。生產(chǎn)這些涂層的方法應(yīng)該盡可能簡單且節(jié)約成本，最重要的是它能夠生成具有適應(yīng)于相應(yīng)使用情況的特性的耐磨涂層。 根據(jù)本發(fā)明，在第一實(shí)施例中通過涂層來解決該任務(wù)，該涂層由至少三個(gè)疊加的不同噴涂層構(gòu)成粘合促進(jìn)層、位于其上方的耐磨涂層、以及外部的磨合層。可通過在涂覆前在環(huán)體側(cè)緣和排氣槽的邊緣設(shè)置合適的斜角來進(jìn)一步改善附著力和內(nèi)聚力。
圖l在橫截面圖中示出了活塞環(huán)如何被倒角。在支承面一側(cè)(圖中的左側(cè))，活塞環(huán)2的邊緣在進(jìn)行涂覆前可以根據(jù)本發(fā)明設(shè)置斜角10。斜角10的角度a根據(jù)本發(fā)明可以是30° -70° ，其中在圖2中以45。為例進(jìn)行了圖示。此外，根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例，斜角10可以有0. 5mm至2mm的寬度d。根據(jù)本發(fā)明，在活塞環(huán)的生產(chǎn)過程中，邊緣的倒斜角是可選的步驟，斜角是最終的活塞環(huán)的可選特性。倒斜角可以使用任何合適的已知方法執(zhí)行。
圖3在橫截面圖中示出了涂層的第一層的實(shí)施步驟。粘合促進(jìn)層4被噴涂到環(huán)體2上。根據(jù)本發(fā)明，這通過熱噴涂的方法來完成，包括高速火焰噴涂(高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡浚琀V0F)、大氣等離子噴涂(APS)、電弧線材或線材火焰涂覆法。此處以HV0F設(shè)備12為例進(jìn)行了圖示。粘合促進(jìn)層4是鎳合金。 在接下來的步驟中(未圖示)，在粘合促進(jìn)層上涂覆耐磨層和磨合層。這可以以涂覆粘合促進(jìn)層同樣的方式、通過上述熱噴涂方法的其中一種來執(zhí)行，其中也可以對不同的層使用不同的方法。該層設(shè)計(jì)是FF，即過噴。 根據(jù)第一實(shí)施例，本發(fā)明的耐磨涂層是含碳化鉻CrC、碳化鎢WC、或者碳化鉬MoC的鉬合金。 最后涂覆的磨合層不需在表面上再加工，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合階段通過磨損得到最終的形狀。 圖4在橫截面中示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的最終的活塞環(huán)，包括環(huán)體2、粘合促進(jìn)層4、耐磨涂層6和磨合層8 根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，活塞環(huán)包括環(huán)體、涂覆于所述環(huán)體的支承面上的耐磨
6涂層、以及涂覆于所述耐磨涂層上的磨合層。該磨合層包括Ni-石墨(Ni-C合金)。該活塞環(huán)優(yōu)選是用于內(nèi)燃機(jī)的大孔活塞環(huán)。 根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的活塞環(huán)通過使用兩個(gè)不同的功能層提供了耐磨(通過耐磨涂層)以及良好的磨合特性(通過Ni-石墨磨合層)的新的有利組合。不必再加工或者磨光磨合層，卻通過磨合階段發(fā)生的磨損得到最終的形狀。該耐磨涂層防止了在發(fā)動(dòng)機(jī)的極端運(yùn)行條件下發(fā)生過度磨損。 優(yōu)選地，該耐磨涂層包括硬鉻、含氧化鋁陶瓷的鉻(例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的CKS )或者含微鉆石的鉻(例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的GDC②)。 優(yōu)選地，該磨合層的層厚度為20 ii m-400 y m。此外，優(yōu)選地，該磨合層具有體積為10% _40%的石墨含量。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的活塞環(huán)的方法。該方法包括以下步驟
提供一環(huán)體； 在所述環(huán)體的支承面上涂覆耐磨涂層；
活化(activating)所述耐磨涂層；以及
在所述耐磨涂層上涂覆磨合層。
此處磨合層包括Ni-石墨。 優(yōu)選地，耐磨涂層的涂覆通過熱噴涂方法來執(zhí)行。優(yōu)選地，熱噴涂方法是大氣等離子噴涂(APS，例如，MKP)或者高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡?HV0F，例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的
MKJet )。 優(yōu)選地，該耐磨涂層包括硬鉻、含氧化鋁陶瓷的鉻(例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的
CKS )或者含微鉆石的鉻(例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的GDC⑧)。
該耐磨涂層優(yōu)選通過噴丸工藝或者熱處理活化。 磨合層的涂覆最好通過熱涂覆方法來執(zhí)行。優(yōu)選地，該熱涂覆方法是大氣等離子噴涂(APS，例如，MKP)或者高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡?HV0F，例如，F(xiàn)ederal Mogul公司的MKJet )。 優(yōu)選地，該磨合層的層厚度為20 m-400 y m。此外，優(yōu)選地，該磨合層具有體積為10% _40%的石墨含量。
權(quán)利要求
一種活塞環(huán)，其特征在于，包括環(huán)體(2)；通過熱噴涂方式涂覆于所述環(huán)體(2)的支承面上的Ni合金粘合促進(jìn)層(4)；通過熱噴涂方式涂覆于所述粘合促進(jìn)層(4)上的含CrC、WC、MoC的Mo合金耐磨涂層(6)；通過熱噴涂方式涂覆于所述耐磨涂層(6)上的AlCu合金或者Ni-石墨合金磨合層(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述粘合促進(jìn)層(4)、耐磨涂層(6)和 磨合層(8)以過噴的方式形成。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述環(huán)體側(cè)面的邊緣具有斜角。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述環(huán)體包括邊緣具有斜角 的排氣槽。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述斜角具有30。至70°角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3-5任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述斜角具有0. 5mm至2. 0mm的寬度。
7. —種生產(chǎn)活塞環(huán)的方法，其特征在于，包括 提供一環(huán)體；在所述環(huán)體的支承面上熱噴涂Ni合金的粘合促進(jìn)層； 在所述粘合促進(jìn)層上熱噴涂含CrC、 WC、MoC的Mo合金耐磨涂層；以及 在所述耐磨涂層上熱噴涂AlCu合金或者Ni-石墨合金磨合層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述粘合促進(jìn)層、所述耐磨涂層以及所述 磨合層以過噴的方式形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂包括 電弧線材涂覆法；火焰涂覆法；大氣等離子噴涂APS;以及 高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡縃V0F。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的方法，其特征在于，還包括 在噴涂所述粘合促進(jìn)層之前，在所述環(huán)體的側(cè)面邊緣設(shè)置斜角。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7-10任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述環(huán)體具有排氣槽，所述方 法還包括在噴涂所述粘合促進(jìn)層之前，在所述排氣槽的邊緣設(shè)置斜角。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7或10所述的方法，其特征在于，所述斜角具有30。至70°角。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述斜角具有0. 5mm至2. 0mm的寬度。
14. 一種活塞環(huán)，包括環(huán)體、涂覆于所述環(huán)體的支承面上的耐磨涂層、以及涂覆于所述 耐磨涂層上的磨合層，其特征在于，所述磨合層包括Ni-石墨。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述耐磨涂層包括硬鉻、含氧化鋁陶瓷的鉻或者含微鉆石的鉻。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述磨合層的層厚度為 20 ii m_400 ii m。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14-16任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述磨合層具有體積為 10% _40%的石墨含量。
18. —種生產(chǎn)活塞環(huán)的方法，包括以下步驟 提供一環(huán)體；在所述環(huán)體的支承面上涂覆耐磨涂層； 活化所述耐磨涂層；以及 在所述耐磨涂層上涂覆磨合層； 其特征在于，所述磨合層包括Ni-石墨。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述耐磨涂層的涂覆通過熱噴涂方法 來執(zhí)行。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述耐磨涂層的涂覆通過大氣等離子 噴涂或者高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡縼韴?zhí)行。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述耐磨涂層包括硬鉻、 含氧化鋁陶瓷的鉻或者含微鉆石的鉻。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18-21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述耐磨涂層通過噴丸工 藝或者熱處理活化。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18-22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磨合層的涂覆通過熱 涂覆方法來執(zhí)行。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述磨合層的涂覆通過等離子噴涂或 者粉末火焰噴涂來執(zhí)行。
25. 根據(jù)權(quán)利要求18-24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磨合層的層厚度為 20 ii m_400 ii m。
26. 根據(jù)權(quán)利要求18-25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述磨合層具有體積為 10% _40%的石墨含量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改善了磨合和磨損性能的活塞環(huán)及其生產(chǎn)方法。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，活塞環(huán)包括環(huán)體(2)、通過熱噴涂方式涂覆于環(huán)體(2)的支承面上的Ni合金粘合促進(jìn)層(4)、通過熱噴涂方式涂覆于粘合促進(jìn)層(4)上的含CrC、WC、MoC的Mo合金耐磨涂層(6)、以及通過熱噴涂方式涂覆于耐磨涂層(6)上的AlCu合金或者Ni-石墨合金磨合層(8)。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，活塞環(huán)包括環(huán)體、涂覆于環(huán)體的支承面上的耐磨涂層、以及涂覆于耐磨涂層上的磨合層，所述磨合層包括Ni石墨。
文檔編號(hào)C23C4/04GK101715521SQ200780046593
公開日2010年5月26日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月9日
發(fā)明者皮特·施密德, 米歇爾·布赫曼, 約翰·里德爾, 馬克·曼努埃爾·馬特 申請人:聯(lián)邦摩高布爾沙伊德公司