[发明专利]用于内燃机的活塞环和用于获得活塞环的方法以及内燃机

说明书

本发明涉及一种活塞环(1)和用于沉积多层涂层(5)的方法，多层涂层(5)具有纳米层结构，能够保证活塞环(1)的周表面(2)的涂层(5)的可变厚度，使得活塞环(1)的开口(3)的平头端(31、32)的紧邻段的区域包括的涂层(5)厚于与活塞环(1)的平头端(31、32)的紧邻段对置的区域的涂层，从而由于受到最大磨损的环的区域中的良好强度以及增加的厚度而提供了具有高耐久性的活塞环(1)。

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的活塞环，活塞环的外周表面设置有多层复合涂层，所述涂层提供高硬度以及耐磨性，同时保证低压缩应力，这确保优化活塞环的耐久性。

背景技术

内燃机基本地包括两个主要部分：发动机缸体(设置有一个或多个气缸)和关联一个或多个气缸盖的曲柄轴组件。曲柄轴组件包含活塞、连接杆和曲柄轴，用来在发动机缸体的气缸内部移动活塞。活塞是柱形部件，通常由金属基底组成，包括一个或多个环，环用于在活塞的外边缘和气缸的内壁之间提供滑动密封。

在气缸的内部移动活塞期间，活塞必须完全黏附至气缸的壁以防止空气燃料混合物和废气在压缩以及燃烧期间泄漏离开燃烧室进入油池，并防止油从油池进入燃烧区域。由于这种方案会引起高摩擦，发现的方案在活塞和气缸的内壁之间设计小间隙并且将一个或多个环插入活塞周围以确保所需隔离。

现代四冲程发动机通常在每个活塞上使用三个环，具体地两个压缩环和一个油环。定位成最靠近活塞头部的两个环公知为压缩环，旨在当活塞执行压缩移动时确保气体混合物不泄漏入池。第三活塞环公知为油环，旨在从气缸的壁刮去多余油，控制油膜的厚度。

活塞环通常包括周边金属表面，对周边金属表面施加至少一层设计成接触气缸的壁的涂层或者膜。

涂层起重要作用，这是由于涂层旨在确保当滑动时环经受低摩擦，并且具有高耐磨性、硬度以及韧性属性。但是，这些属性中的许多属性是自相矛盾的，所述属性中一个的增加导致另一属性的性能损失。此外，施加至环的应力沿着相同表面改变，即应力不是均匀地施加至环。

通过申请人执行的研究、测试以及模拟证明，活塞环，特别是压缩环，在该环的平头端周围或者之上经受了过早磨损。

在该方面，代表性现有技术文献是US7052019，其涉及一种PVD涂层，PVD涂层提供了具有可变厚度的涂层，环的平头端周围的涂层的厚度是沿着离开环的平头端紧邻段的区域施加的涂层的厚度的1.5至4倍。

应该注意的是，公开于文献US7052019的涂层仅使用材料的一个供给源，这表明仅一个金属蒸镀将发生以形成氮化物，这得到呈单层形式的涂层。

使用的制造处理具有可变转速，使得当环的平头端周围的区域定向成朝向涂覆材料的供给源时速度最低，使得涂层在环的平头端的紧邻段周围的区域比在环的平头端的对置区域更厚。但是，该处理要求在该速度变化期间非常精确控制的同步性，否则不能实现涂层的厚度的变化效应。

另一方面，仅仅在环的平头端的紧邻段周围的区域增加一个单层涂层不足以保证部件的较大耐久性。如图2所示，在环的平头端的附近涂覆层越厚，环的平头端和发动机缸体的气缸之间的接触压力越大。燃烧生成高温并且增加气体压力，导致过早磨损，这进一步被压缩环的滑动表面和该区域之间的低润滑以及接触压力恶化。此外，由于通过剥离涂层引起的较高故障率，公开于文献US7052019的涂层的高压缩应力(大于1000Mpa)降低了部件的耐久性。

文献WO2014194874公开了一种活塞环，例如，该活塞环被施加具有可变多层厚度(AITiN/CrN)的PVD涂层。但是，该现有技术文献具有缺陷，该缺陷产生于使用具有铸造金属基底(钢或者铁)的环，这导致存在无数不连续，使得消极地影响了环的性能。其例子是通常发现在铸造材料中的细孔和过程结构。

铸铁具有石墨结构，石墨结构具有微观锐利边缘，这导致相比于冷加工钢(诸如使用延伸处理生产的钢)具有较低机械强度。