有雙涂層的活塞環(huán)的制作方法
【專利說明】有雙涂層的活塞環(huán)
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年11月31日遞交的美國臨時申請N0.61/747，780的優(yōu)先權(quán)，內(nèi)容整體合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003]活塞環(huán)的外表面經(jīng)常涂層以改良環(huán)的性能特點，例如通過改變表面的摩擦性質(zhì)或磨耗特性。一些涂層，例如物理或化學(xué)氣相沉積涂層等沉積涂層，通?？筛牧辑h(huán)的插入特性。但是，沉積涂層也可遭受磨損期限的缺點，因此使用所述涂層的環(huán)可相對更頻繁的需要替換。相比之下，可提供比沉積涂層相對較好的磨損期限和耐久性的其他類型的涂層卻不可平穩(wěn)的插入。
[0004]如此，通常來說活塞環(huán)制造商一般必須接受性能上某些損失，基于此選擇上述涂層。此外，通過混合涂層來限制上述損失的努力不成功。例如，要獲得不同涂層之間適當?shù)慕Y(jié)合強度很難，會導(dǎo)致斷裂，缺口或應(yīng)用涂層的其他不足。
[0005]因此，需要改良的活塞環(huán)，該活塞環(huán)設(shè)法解決一定類型的涂層的固有損失，同時允許在大量制造環(huán)境下應(yīng)用的商業(yè)實用的方法。
【附圖說明】
[0006]雖然權(quán)利要求不限制為示出的實施方式，通過對其各個實施方式的討論可最好的獲得各個方面的評價。如今適用于附圖，示范性例證詳細示出。盡管附圖表現(xiàn)各個實施方式，附圖不必要測量并且某些特性可夸大以更好的示出和解釋實施方式創(chuàng)新的方面。而且，在這里描述的實施方式并非意為詳盡的或不然限制或限定為附圖中示出并且在下面詳細的說明中揭露的精確的形式和構(gòu)造。通過適用于如下所示的附圖詳細說明示范性例證。
[0007]圖1A示出應(yīng)用外涂層(例如PVD層)之前的示范性活塞環(huán)的橫截面視圖；
[0008]圖1B示出應(yīng)用外涂層(例如PVD層)之后的示范性活塞環(huán)的橫截面視圖；
[0009]圖1C示出根據(jù)一個示范性例證有內(nèi)層并且在內(nèi)層上有外涂層的示范性完成的活塞環(huán)的放大的橫截面視圖；
[0010]圖1D示出圖1C的放大部分，示出外層相對于內(nèi)層和中間層的厚度；
[0011]圖2A示出一對現(xiàn)有技術(shù)的活塞環(huán)在環(huán)之間不留縫隙的堆積在一起的橫截面視圖；
[0012]圖2B示出一對示范性活塞環(huán)在環(huán)之間留縫隙的堆積在一起的橫截面視圖，留縫隙的堆積是為防止應(yīng)用的涂層連接相鄰的環(huán)。
[0013]圖3A示出發(fā)動機試驗程序之前的四個完成的活塞環(huán)的外表面，即外涂層；
[0014]圖3B示出圖3A的四個示范性完成的活塞環(huán)在發(fā)動機試驗程序之后的外表面，即外涂層；
[0015]圖4A示出發(fā)動機試驗程序之前的示范性完成的活塞環(huán)的外表面(即外涂層)的放大視圖；
[0016]圖4B示出圖4A中的示范性完成的活塞環(huán)在發(fā)動機試驗程序之后的外表面(即外涂層)的放大視圖；并且
[0017]圖5示出應(yīng)用內(nèi)涂層和外涂層至活塞環(huán)的示范性過程的過程流程圖。
【具體實施方式】
[0018]在這里提供活塞環(huán)的示范性例證，該活塞環(huán)包括由金屬材料形成的基部，和在活塞環(huán)對立的兩側(cè)之間延伸的外接觸表面。示范性活塞環(huán)可包括應(yīng)用至外接觸表面的涂層，該涂層包括內(nèi)層和外層。
[0019]示范性例證也指示制造活塞環(huán)的方法。在一途徑中，該方法包括提供由金屬材料形成的基部，應(yīng)用內(nèi)層至基部的外表面，并且在內(nèi)層的上方應(yīng)用外層。
[0020]如今適用于圖1A至1D，根據(jù)示范性例證示出活塞環(huán)的各種橫截面視圖。示范性活塞環(huán)100可由基礎(chǔ)金屬材料101形成，例如鋼鐵。示范性活塞環(huán)可使用于活塞的外周向槽(未示出)?；钊稍诎l(fā)動機組(未示出)內(nèi)接收來限定內(nèi)孔表面或汽缸套表面。
[0021]如圖所示，活塞環(huán)可包括下表面102，上表面104，和內(nèi)表面106。環(huán)徑向最外的表面108可包括示范性涂層，該示范性涂層包括內(nèi)層I 1a和外層I 1b (統(tǒng)稱為涂層110)。上表面104和內(nèi)表面106分別以沒有涂層示出，然而下表面102包括耐磨涂層112。此外，上表面，下表面，和內(nèi)表面中的任意一個或多個可涂上任何便利的涂層。
[0022]在圖1C和ID中可最好的看出，在外表面上的示范性兩層或雙層涂層110可包括兩層明顯的層110a，110b。更加特殊的是，內(nèi)層IlOa或涂層可形成為相對密度較高，無孔的涂層110a。在一實施方式中，內(nèi)涂層IlOa為熱噴涂層，例如應(yīng)用超音速含氧燃料(HVOF)處理。另外，在圖1B和IC中可最好的看出，內(nèi)層IlOa可嵌入外表面108。更加特殊的是，內(nèi)涂層IlOa可應(yīng)用在外表面108的插入?yún)^(qū)域114。
[0023]涂層的外層IlOb也可應(yīng)用在內(nèi)涂層IlOa上，如圖1C和ID所示。在一示范性途徑中，外涂層IlOb為沉積涂層，即物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)，或類金剛石(DLC)涂層。在另一示范性例證中，相對較薄的氣相沉積涂層外層IlOb(例如約為10到15 μπι的PVD涂層)應(yīng)用在相對較厚的內(nèi)層IlOa上，例如100到150 μπι的HVOF材料。在另一示范性例證中，外層IlOb可包括厚度約為5到40 μπι，然而內(nèi)層IlOa可包括厚度約為25 至丨J 300 μ m0
[0024]—般說來，PVD涂層提供極好的插入特性和耐磨性。一旦PVD涂層磨透，內(nèi)層提供極好的磨損期限。在此實施方式中，提供相對較薄的10 μπι外氣相沉積層在內(nèi)HVOF層上可導(dǎo)致比單層的，相對較厚(例如30 μπι)沒有內(nèi)HVOF層的氣相沉積層約雙倍的磨損期限。
[0025]如在圖1D中可最好的看出，相對較薄的中間層IlOc可呈現(xiàn)在外層IlOb和內(nèi)層I 1a之間。在一示范性例證中，中間層約為外層IlOb厚度的十分之一。在另一實施方式中，中間層IlOc約為1.4 μπι然而外層IlOb約為14.5 μπι厚。中間層IlOc可由在內(nèi)層IlOa上方應(yīng)用氮化鉻PVD層造成。更加特殊的是，中間層IlOc可為鉻系層110c，該鉻系層IlOc在示范性氮化鉻材料的PVD應(yīng)用處理期間生成，導(dǎo)致外PVD層，例如外層110b，和內(nèi)HVOF層，例如層110a，之間的純正鉻層110c。
[0026]在以下示范性例證中，環(huán)之間的間斷或縫隙可用于在應(yīng)用至堆疊在彼此上方的環(huán)時防止涂層連接。例如在圖2B中可最好的看出，縫隙200可沿著活塞環(huán)100的上方周向外邊緣116提供，例如通過斜切外上角。相比之下，如圖所示外直徑表面的下角118可保持相對較鋒利，因此例如增加下角118的刮擦能力，并且改良環(huán)100在相關(guān)的發(fā)動機孔面(未示出)刮油的能力。在一示范性例證中，間斷200在應(yīng)用外層IlOb之前立即放入環(huán)10a時，例如通過斜切置于環(huán)10a的上角116，該外層IlOb例如為PVD外層I1b (在圖2A和2B中未示出)。
[0027]可供選擇地，例如可斜切下角118以進一步增加堆疊的環(huán)100a，10b的外表面108之間的間斷。在這種方法中，與以前的一些途徑一致，可因此在環(huán)的上方外角116和底部外角均提供間斷。
[0028]與在沿著示范性活塞環(huán)100的外表面提供間斷(例如圖2B所示)相比之下，圖2A示出的一個以前的途徑并不提供所述間斷，這樣導(dǎo)致相鄰的環(huán)300a，300b之間應(yīng)用的涂層(在圖2A中未示出)更大的可能性出現(xiàn)架橋。換句話說，環(huán)300a，300b相鄰的各個角316，318可通過在環(huán)300a，300b的各個外表面308a，308之間持續(xù)延伸的涂層非故意地相連。
[0029]如在圖3A，3B，4A和4B中可最好的看出，示范性環(huán)100的發(fā)動機試驗表露出示范性環(huán)100的外層IlOb缺少微細破裂或其他不足。更加特殊的是，如圖所示在圖3B(和圖4B，圖4B為放大視圖)中示出的外層IlOb的外表面與在圖3A(和圖4A，圖4A為放大視圖)中示出的試驗之前的外層IlOb的外表面相比相對未受損壞。此外，接觸痕跡為連續(xù)的并且沿著外層IlOb沒有微細破裂的跡象。這種成功與以前的途徑相反，以前的途徑一般造成外PVD層和內(nèi)層的黏合問題，或外PVD層的破裂。
[0030]如上所述，示范性內(nèi)涂層IlOa可包括熱噴涂或HVOF涂層，僅如例子所示。熱噴涂層可直接應(yīng)用至活塞環(huán)100的外表面108。在一些實例中，活塞環(huán)100的外表面108可在應(yīng)用熱噴涂層之前粗糙化。也可需要粘合涂層在應(yīng)用熱噴涂層之前應(yīng)用在活塞環(huán)100的外表面 108。
[0031]示范性熱噴涂層可由任何合適類型的合金，多相合金，和/或其組合。所述材料的例子包括但不限于銅合金、鐵合金、鎳合金、鈷合金、鉬合金、錫合金和鋁合金。示范性熱噴涂層可如所述應(yīng)用，以致涂層基于發(fā)動機類型和/活塞類型有合適的厚度。如上所述，在一示范性途徑中，用作內(nèi)層IlOa的熱噴涂層可有范圍約為100到150微米的厚度。
[0032]熱噴涂層可用以下熱噴涂應(yīng)用方法應(yīng)用，僅如例子所示:HV0F，電弧噴涂，和/或火焰噴涂。選擇用于形成可取的熱噴涂層IlOa的材料可如所述引入噴涂裝置，以致材料熔化或部分熔化。因此，當材料接觸活塞環(huán)的徑向外表面時，形成熱噴涂層。由于熱噴涂的應(yīng)用，可使用高性能材料。
[0033]一般來說，熱噴涂層可用熱噴涂槍(未示出)應(yīng)用至活塞環(huán)的外表面108。在一些情況下，可取的是在外表面108上應(yīng)用粘合涂層(未示