用于活塞環(huán)的耐磨涂層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)的耐磨涂層，以及一種用于在活塞環(huán) 的生產(chǎn)過程中涂覆這種耐磨涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 活塞環(huán)是活塞上的密封元件，例如在內(nèi)燃機(jī)或往復(fù)式壓縮機(jī)中。在內(nèi)燃機(jī)中，活塞 環(huán)封閉活塞頭和氣缸壁之間的間隙，密封燃燒室。在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)中，每個(gè)氣缸通常使用三個(gè) 活塞環(huán)，它們的設(shè)計(jì)根據(jù)安裝位置的不同而不同。最接近燃燒室的活塞環(huán)，也稱之為壓縮 環(huán)，其主要任務(wù)是建立密封和散熱。底環(huán)，稱之為刮油環(huán)，刮除氣缸壁上的潤滑油，并調(diào)節(jié)油 膜，頂環(huán)在沖程中滑過該油膜。中環(huán)幫助控制油平衡，并提供額外的燃燒氣體隔離。
[0003] 由于活塞上下運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)的外圓周表面穩(wěn)定的彈性接觸氣缸壁滑動(dòng)，同時(shí)活塞 環(huán)由于活塞的搖擺運(yùn)動(dòng)在它的環(huán)槽中振動(dòng)，在其中，其邊緣交替的支承在活塞環(huán)槽的頂部 和底部側(cè)面。由于滑動(dòng)兩方相對(duì)對(duì)方表面持續(xù)滑動(dòng)，磨損程度取決于材料，在干運(yùn)轉(zhuǎn)的情況 下會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)、劃傷并最終損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0004] 在內(nèi)燃機(jī)的高應(yīng)力部件的制造中，如前面所敘述的活塞環(huán)，最經(jīng)常使用的是鑄鐵 或鑄鐵合金。在高應(yīng)力內(nèi)燃機(jī)中，例如4沖程和2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞環(huán)，尤其壓縮環(huán)，受到不 斷增加的負(fù)荷。這些包括，例如，高壓縮峰值壓力、高燃燒溫度和減少的潤滑膜，所有這些作 用在活塞環(huán)上，對(duì)功能特性，如耐磨性、耐擦傷性、耐微型焊接性和耐腐蝕性等具有決定性 影響。
[0005] 更高的峰值點(diǎn)火壓力、更低的排放和燃油直噴技術(shù)進(jìn)一步給活塞環(huán)增加了負(fù)荷。 后果可能會(huì)是損壞活塞的材料和鍍層，尤其較低位置的活塞環(huán)側(cè)面。
[0006] 隨著活塞環(huán)上的機(jī)械和動(dòng)態(tài)應(yīng)力增加，越來越多的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商要求活塞環(huán)的高 等級(jí)鋼的需求（調(diào)質(zhì)合金鋼，如材料1.4112)。鋼材料具有比鑄鐵更好的強(qiáng)度和韌性等優(yōu) 點(diǎn)，因?yàn)樵谖⒂^結(jié)構(gòu)上沒有游離石墨的干擾。最常用來制造鋼活塞環(huán)的材料是高鉻合金馬 氏體鋼。
[0007] 為了進(jìn)一步改善活塞環(huán)在運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行狀況，它們進(jìn)行表面處理，例如錫和銅層 的應(yīng)用，以提高滑動(dòng)性，鋅或錳磷酸鹽涂層用于加速磨合性，并拋光以減少腐蝕。
[0008] 另一方面，滑動(dòng)表面也做專門處理以增加固有的耐磨性，并減少磨損和粘著磨損， 例如通過滲鉻處理，沉積金屬陶瓷復(fù)合層或鉬層，或通過氮化或氮碳共滲一種品牌名稱為 MKP200的商用活塞環(huán)涂層，其包含鉬和Cr2C3-NiCr的復(fù)合材料。
[0009] 然而，即使使用這樣的涂層，活塞環(huán)仍然沒有足夠的耐磨性、耐擦傷性和耐腐蝕 性，尤其是當(dāng)人們考慮到未來的發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的工作負(fù)荷時(shí)。一個(gè)原因，但不是唯一的原 因，是保護(hù)層的高孔隙率，約10?15%，并且耐磨組分在該層中的比例的限度取決于所用 的噴涂工藝。
[0010] 另一個(gè)問題在于大容量發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)需要，例如，氣缸直徑大約在190mm到 1，OOOmm需要活塞環(huán)上的涂層足夠厚以確保30, 000小時(shí)的期望使用壽命。然而，隨著涂層 變厚，用在活塞環(huán)和涂層中的材料的不同的膨脹系數(shù)以及不同的熱導(dǎo)率所帶來的問題也越 顯著。
[0011] 為了減少磨損，尤其是位于活塞槽中的活塞環(huán)間隙，高耐磨層體系需要在對(duì)以下 參數(shù)的平衡方式方面具備良好的特性：硬度、楊氏模量、剪切強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、可制造性和成 本。
[0012] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改進(jìn)的磨損保護(hù)層和涂覆方法，由此活塞 環(huán)的磨損性能可以進(jìn)一步改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)該目的的耐磨層包括以下比例的元素：
[0014] 15?25 %重量比的鐵（Fe)，10?20 %重量比的鎢（W)，20?30 %重量比的鉻 (Cr)，15?25%重量比的鎳（Ni)，l?5%重量比的鉬（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)。
[0015] 至少30%的鐵和鎳含量的組合物和耐磨層在基體和涂層之間導(dǎo)致一個(gè)準(zhǔn)均相體 系，其結(jié)果是混合摩擦產(chǎn)生的熱能消散的更有效，尤其在上止點(diǎn)（TDC)或下至點(diǎn)（BDC)區(qū) 域，一個(gè)均勻的熱弛豫過程由存在于發(fā)動(dòng)機(jī)中的溫度波動(dòng)所保證。因此，與活塞環(huán)自身相 比，磨損保護(hù)層具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，并且熱膨脹系數(shù)僅有很小的差別。使用鐵基合金作為活 塞環(huán)基礎(chǔ)涂覆材料，與鉬、Ni-Cr-P-Si-B化合物和碳化物體系一起，導(dǎo)致一個(gè)新型活塞環(huán)產(chǎn) 品。
【附圖說明】
[0016] 圖1示出了由掃描電子顯微鏡（SEM)觀測(cè)到的TS-Vl變體的微觀結(jié)構(gòu)；
[0017] 圖2示出了由掃描電子顯微鏡（SEM)觀測(cè)到的TS-V2變體的微觀結(jié)構(gòu)；
[0018] 圖3示出了 TS-V2的相1的增加導(dǎo)致碳化物濃度的增加；
[0019] 圖4示出了在發(fā)動(dòng)機(jī)外的測(cè)試后的活塞環(huán)和缸套磨損，在活塞環(huán)/氣缸體系中是 潤滑的；
[0020] 圖5示出了變體TS-Vl和TS-V2的耐擦傷性的測(cè)量值。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的涂層一般包括鐵（Fe)、鎢（W以WC的形式）、鉻（Cr以Cr和Cr2C 3 的形式）、鎳（Ni)、磷（P)、硼（B)、鉬（Mo)、硅（Si)和碳（C，部分與Fe、W和Cr結(jié)合為碳化 物）。
[0022] 鐵（Fe)的含量為15?25%的重量比，優(yōu)選含量為17?25%的重量比，更優(yōu)選為 18?25 %的重量比，還更為優(yōu)選為20?25 %的重量比，最優(yōu)選為22?25 %的重量比。
[0023] 鎢（W)的含量為10?20%的重量比，優(yōu)選含量為12?20%的重量比，更優(yōu)選為 14?20 %的重量比，還更為優(yōu)選為16?20 %的重量比，最優(yōu)選為18?20 %的重量比。
[0024] 鉻（Cr)的含量為20?30 %的重量比，優(yōu)選含量為22?30 %的重量比，更優(yōu)選為 24?30 %的重量比，還更為優(yōu)選為26?30 %的重量比，最優(yōu)選為28?30 %的重量比。
[0025] 鎳（Ni)的含量為15?25%的重量比，優(yōu)選含量為17?25%的重量比，更優(yōu)選為 18?25 %的重量比，還更為優(yōu)選為20?25 %的重量比，最優(yōu)選為22?25 %的重量比。
[0026] 磷（P)的含量為1?5%的重量比，優(yōu)選含量為2?5%的重量比，更優(yōu)選為3? 5%的重量比，還更為優(yōu)選為4?5%的重量比。
[0027] 硼（B)的含量為0.01?0. 1 %的重量比，優(yōu)選含量為0.02?0.08 %的重量比，更 優(yōu)選為〇. 03?0. 05%的重量比，還更為優(yōu)選為0. 04?0. 05%的重量比。
[0028] 碳（C)的含量為0. 1?5%的重量比，優(yōu)選含量為0. 5?5%的重量比，更優(yōu)選為 1?5%的重量比，還更為優(yōu)選為1?2%的重量比。
[0029] 鉬（Mo)的含量為1?5%的重量比，優(yōu)選含量為2?5%的重量比，更優(yōu)選為2? 4%的重量比，還更為優(yōu)選為2?3%的重量比。
[0030] 硅（Si)的含量為0. 1?2%的重量比，優(yōu)選含量為0. 5?2%的重量比，更優(yōu)選為 1?2%的重量比，還更為優(yōu)選為1. 5?2%的重量比。
[0031] 可選擇地，鈮（Nb)和氧（0)可以存在于本發(fā)明的耐磨層中。
[0032] 鈮（Nb)的含量可以為10?15%的重量比，優(yōu)選含量為11?15%的重量比，更優(yōu) 選為12?15%的重量比，還更為優(yōu)選為13?15%的重量比，最優(yōu)選為14?15%的重量 比。
[0033] 氧（0)的含量可以為0. 1?2%的重量比，優(yōu)選含量為0. 1?0.8%的重量比，更 優(yōu)選為〇. 2?0. 5 %的重量比，還更為優(yōu)選為0. 3?0. 5 %的重量比，