用于内燃机的活塞环制造技术

本发明专利技术涉及用于内燃机的活塞环(1)，设置有基本上环形的铁合金的基体(2)，所述基体(2)上涂覆有包括第一结合层(10)和至少第一外层(11)或第二外层(12)的涂层(4)，所述第一外层(11)和所述第二外层(12)沉积在所述第一结合层(10)上，多个相继沉积的第一和第二外层(11，12)达到最大100微米的厚度，从而由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而在活塞环(1)上提供出色的耐磨性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于内燃机的活塞环，其中至少活塞环的基体设置有由氮化物组成的多层涂层，所述涂层通过物理气相沉积的工序涂覆并且由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而提供出色的耐磨性。
技术介绍
内燃机基本上由两个主要部分组成：发动机机体(设置有一个或多个气缸)以及曲柄轴组件或者连接有一个或多个盖的曲柄轴组件。曲柄轴组件包含活塞、连接杆以及曲柄轴，该组件负责活塞在发动机机体的气缸内的位移。活塞为气缸的一部分，作为一种规则由金属基体组成，并且包括一个或多个环，所述环负责在活塞的外边缘与气缸的内壁之间提供滑动密封。作为一种规则，更多的当代四冲程发动机在每个活塞上利用三个环，两个压缩环和一个油环。两个最靠近活塞头定位的环被命名为压缩环并且用于在活塞进行压缩运动时防止气体混合物泄漏至曲柄箱的内部。活塞的第三个环被命名为油环并且具有从气缸壁刮过多的油的目的，从而控制油膜的厚度。通常，活塞环由金属外部基体形成，所述金属外部基体涂覆有至少一层适于与气缸壁接触的涂层。由于力图赋予环低滑动摩擦、高耐磨性、硬度和韧性的特性的事实，所以涂层的功能是非常重要的。作为一种规则，涂层的涂覆通过离子镀膜工序进行，特别是物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或者通过电镀工序进行。在用于涂覆活塞环的工序中，物理气相沉积(PVD)工序体现了令人感兴趣的益处，例如，工序以非常低的工作压力操作的可能性、为高纯度材料的烧结提供可行性、由于通过离子撞击而“清洁”基体的表面的可能性而提高涂层与基体的粘和性；统一的涂层厚度、涂层的晶体结构的控制、因在多数情况中不涉及有毒产品或者溶液并且沉积温度相对低的事实，无论如何不会使用污水或污染物。用于物理气相沉积(PVD)的基本工序已知为蒸镀和溅镀。阴极电弧(蒸镀)产生目标阴极的粗略的微熔化，从而对液体的液滴或大粒子(在阴极电弧工序中产生的液体颗粒或者固体碎片)进行溅镀。这些大粒子可以改变尺寸至大约100纳米，这些大粒子的平均直径在5纳米和30纳米之间，并且影响涂层的诸如摩擦、耐磨性、耐腐蚀性、电阻率以及反射率的许多特性。耐腐蚀性，例如，在大粒子合并到涂层中时被折中，有可能被认为在密集和连续的涂层中中断。作为一种规则，考虑工作的一个可能的过程而使用过滤，然而这些过滤减少了沉积率并且增加了复杂性和设备成本。PVD溅镀过程是涉及从源头喷射原子或分子的不加热汽化。该技术的演化，例如，高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)方法，为获得缺少密集的大粒子的涂层提供可能性，从而为其应用至活塞环提供可行性。在目前，现有技术的活塞环设置有外部基体或者滑动基体，所述外部基体或者滑动基体设置有氮化铬(CrN)的单层涂层，从而提供耐磨性。该涂层由阴极电弧PVD工序获得。当用于具有高负荷和高燃烧压力水平的发动机中时，该涂层呈现出脆弱的性能，导致由于高内应力在活塞环的基体中出现细微裂缝。这些细微裂缝传播，导致涂层的小片的脱落，在基体中产生空白，并且甚至可能使气缸衬套的表面出现伤痕。而且，除了产生粗糙的表面并且导致滑动基体的孔隙率降低这些对于活塞环涂层而言不期望的效果，如上所述，存在形成大粒子的可能性，具有导致基体上的涂层的粘和性损失的可能性。与本专利技术具有相同的所有权人的现有技术文献PI 1102335-0以及PI1102336-8揭露了用于在设置有用于内燃机的滑动表面的元件上获得单层涂层的高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)工序。这样的沉积工序除了低内应力还赋予高耐磨性。应当注意的是，现有技术中出现的涂层为单层型，也就是说只有一个沉积层。根据沉积工序，单层涂层呈现出或多或少的耐磨性，然而没有呈现出足够的强度而且没有呈现出适于应用在高负荷发动机的活塞上。因此，需要提供活塞环的获得，其中至少活塞环的基体设置有由氮化物组成的多层涂层，所述涂层由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而提供出色的耐磨性。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的是提供一种活塞环，所述活塞环包括设置有由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而确保出色的耐磨性的多层涂层的基体。本专利技术另外的目的是提供一种活塞环，所述活塞环包括基体，所述基体设置有由金属氮化物组成的涂层，所述涂层可通过阴极电弧沉积工序或者通过物理气相沉积(PVD)工序，通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)的方法涂覆。专利技术的简要描述本专利技术的目的通过用于内燃机的、设置有基本上环形的铁合金的基体的活塞环实现，所述基体上涂覆有包括第一结合层和至少第一或第二外层的涂层，所述第一和第二外层沉积在第一结合层上，多个相继沉积的第一和第二外层达到最大100微米的厚度，第一外层由掺杂的金属化学元素(x)的氮化物组成，掺杂的元素为铝(Al)，第二外层由金属化学元素(x)的氮化物组成，第一外层设置有至少大于第二外层的厚度的一倍且小于第二外层的厚度的十倍的厚度。本专利技术的目的还通过包括从铬(Cr)或者钛(Ti)或者铌(Nb)中选择的金属化学元素(x)的活塞环实现，第一和第二外层设置有1和200纳米之间的厚度，涂层包括沉积在第一结合层上的第二结合层，第一结合层由铬(Cr)或者铬/铝(CrAl)组成，而第二结合层由掺杂的氮化铬组成，掺杂的元素为铝(CrAlN)或者氮化铬(CrN)，涂层由第一和第二结合层以及第一和第二外层组成，呈现出1800和2500HV(维氏硬度)之间的硬度，3％至6％的孔隙率以及200和700MPa(兆帕)之间的内应力。本专利技术的目的额外地通过用于获得内燃机的活塞环的工序实现，涂层包括第一结合层，第二结合层，第一外层以及第二外层，涂层通过阴极电弧沉积工序沉积，或者通过物理气相沉积(PVD)工序沉积，通过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)的方法。而且，本专利技术的目的通过包括至少一个如上所限定的活塞环的内燃机实现。附图说明基于在附图中体现的实施例的示例将更加详细地描述本专利技术，在附图中：图1示出了本专利技术的活塞环的上视图及其组成部分；图2示出了涂覆至本专利技术的活塞环的涂层的描绘；图3示出了本专利技术的涂层的沉积的工序的结构描绘；图4示出了本专利技术的工序的阶段的流程图；图5示出了用于现有技术的活塞环与本专利技术的活塞环之间的磨损评估的比较测试的图标描绘；图6示出了用于现有技术的活塞环与本专利技术的活塞环之间的已完成的磨损的评估的比较测试的图标描绘。具体实施方式本专利技术涉及用于内燃机的活塞环1，所述活塞环1设置有基本上环形的铁合金的基体2，所述基体2上涂覆有多层涂层4，所述多层涂层4包括第一结合层10和至少沉积在第一结合层10上的第一外层11或第二外层12，多个后续沉积的第一外层11和第二外层12的厚度最大可达100微米，从而由于涂层与基体的高粘和性、低内应力、高硬度以及低孔隙率而在活塞环1上提供出色的耐磨性。为了本专利技术的恰当的理解，需要参照用于内燃机的活塞环1的使用以及参照用于在活塞环1上涂覆涂层4所使用的工序提供初始的说明。以通常的方式，活塞环1为自膨胀元件，也就是说是具有高膨胀力、具有作为其目的的提升内燃机的燃烧室的气体密封、连通进行气缸的壁上的润滑油膜控制，并用作从活塞箱气缸传递热的元件的弹性元件。活塞环1在工作状态下经受可能的最有害的条件，这能够使其经受过早的磨损。在该磨损的主要原因中可提到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于内燃机的活塞环(1)，其设置有基本上环形的、铁合金的基体(2)，在所述基体上涂覆有包括第一结合层(10)的涂层(4)，所述环(1)其特征在于所述涂层(4)额外包括：至少一第一外层(11)或一第二外层(12)，所述第一外层(11)和所述第二外层(12)沉积在所述第一结合层(10)上，多个相继沉积的所述第一和第二外层(11,12)达到最大100微米的厚度，所述第一外层(11)由掺杂的金属化学元素(x)的氮化物组成，所述掺杂的元素为铝(Al)，所述第二外层(12)由金属化学元素(x)的氮化物组成，所述第一外层(11)设置有至少大于所述第二外层(12)的厚度的一倍且小于所述第二外层(12)的厚度的十倍的厚度。

【技术特征摘要】
2015.04.17 BR BR10201500881751.一种用于内燃机的活塞环(1)，其设置有基本上环形的、铁合金的基体(2)，在所述基体上涂覆有包括第一结合层(10)的涂层(4)，所述环(1)其特征在于所述涂层(4)额外包括：至少一第一外层(11)或一第二外层(12)，所述第一外层(11)和所述第二外层(12)沉积在所述第一结合层(10)上，多个相继沉积的所述第一和第二外层(11,12)达到最大100微米的厚度，所述第一外层(11)由掺杂的金属化学元素(x)的氮化物组成，所述掺杂的元素为铝(Al)，所述第二外层(12)由金属化学元素(x)的氮化物组成，所述第一外层(11)设置有至少大于所述第二外层(12)的厚度的一倍且小于所述第二外层(12)的厚度的十倍的厚度。2.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述金属化学元素(x)从铬(Cr)或者钛(Ti)或者铌(Nb)中选择。3.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述第一和第二外层(11，12)设置有1到200纳米之间的厚度。4.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于所述涂层(4)包括沉积在所述第一结合层(10)上的第二结合层(20)。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：茹利亚诺·阿韦拉尔·阿劳霍，保罗·若泽·达·罗沙·莫尔登特，罗伯特·理查德·班菲尔德，
申请(专利权)人：马勒金属立夫有限公司，马勒国际有限公司，
类型：发明
国别省市：巴西;BR