具有氮化金属层的多层钢垫圈制造技术

通过冷轧和氮化作用层生产多层钢垫圈。冷轧提供了希望的层硬度，氮化提供了层的希望强度以抵抗开裂和磨损。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及多层钢(MLS)垫圏，尤其涉及改变MLS垫圏作用 层的物理性质以提高希望的垫圏特性的方法。
技术介绍
近年来，MLS汽缸盖垫圏已成为推荐的设计选择，其中所有(典 型地，至少两个)垫圏层由钢制成。凸缘层(也称为"作用"层)通常 由301不锈钢制成，所述不锈钢为具有相当大的弹性系数(spring rate ) 的较硬金属，以便满足在垫圏有效寿命期间所必需的性能要求。减少燃料消耗和污染物排放的趋势对这些垫圏的性能提出了更高 要求。已经证明通过在发动机汽缸体和汽缸盖组件中使用较轻材料来 降低燃料消耗是成功的，但是所用较轻合金在同等汽缸压缩比下通常 产生较大变形。该降低的刚性可能在汽缸盖组件和汽缸体中产生额外 的变形，在汽缸盖组件和汽缸体之间产生较大移动，因此，对汽缸盖 垫圏提出了更高的要求以适应相对变形。已经证明通过提高发动机压缩比来减少污染排放物是成功的。但 是，汽缸压力的增大典型地导致汽缸盖和汽缸体的配合表面之间更多 的运动。在MLS垫圏的技术中产生的这些及其他影响因素成为不断 改进的方面。紧邻发动机汽缸孔周边的垫圏区域与径向远离所述孔的垫圏区域 相比承受大得多的应力，以便确保适当的密封。紧邻发动机汽缸孔的 这些垫圏区域与径向远离所述孔的垫圏区域相比还在配合表面之间产生更大的动态位移。配合表面之间的这种位移导致作用层内的轴向运动，并在作用层 和任何邻接表面之间产生微动。这种运动典型地导致相对运动区域处的表面磨损，通常叫作"微振磨损"。当邻接表面是垫圏的另一层时， 该层磨损可能导致垫圏破裂或开裂。当邻接表面是配合部件之一时，表面磨损可能导致无效密封。典型地，给MLS垫圏层施加弹性覆层 以提高密封性，并且允许凸缘层沿配合表面滑动。
技术实现思路
提高表面强度以便减少微振磨损的工艺可能不希望地降低凸缘部 分适应配合表面之间的相对位移的性能。301不锈钢的凸缘部分可以 进行热处理以将硬度提高到3/4硬到特硬(350 - 500 Hv )的希望范围。 典型地热处理工艺涉及将钢加热到400- 450度以改变马氏体的含量 和结构。这些热处理工艺可能与希望提高凸缘部分的表面强度的工艺 不协调。因此，需要用于金属垫圏的作用层，其以提供希望的硬度、 表面强度和弹性系数的方式进行加工。在一个实施例中，本专利技术提供了一种用于MLS垫圏的金属层， 其具有至少一个凸缘区域和进行氮化处理的表面。所述金属层不承受 在临界温度范围以上加热金属层的热处理。在另一个实施例中， 一种用于制造具有作用层的MLS垫圏的方 法，包括在作用层中形成至少半凸缘和氮化所述作用层的至少一部分。 所述氮化不涉及在临界温度范围以上加热金属层。在进一步的实施例中， 一种用于制造MLS垫圏的至少一部分的 方法，包括冷加工金属层，和氮化所述金属层的至少一部分。所述氮 化不涉及在临界温度范围以上加热金属层。附图说明现在将参照附图以举例方式对本专利技术进行描述，其中 图1是根据本专利技术实施例的多层钢制汽缸盖垫圏的局部视图。 图2是沿直线2-2剖开的图1中垫圏的剖视图，其中为清楚起见 使各层分离。图3是根据本专利技术实施例的垫圏的可选实施例的剖视图，与图2类似，其中为清楚起见使各层分离。具体实施方式图1显示了金属垫圏20的实施例，所述金属垫圏为汽缸盖垫圏。 垫圏20位于内燃机的汽缸盖组件(未显示)和汽缸体(未显示)的配 合表面之间。垫圏20包括至少一个金属层24。如图所示，只显示了 最上面的金属层24。每个金属层24由多个汽缸孔26、螺栓孔28和套 筒孔30界定。每个套筒孔30可以输送冷却流体或润滑流体。金属层 24布置为使孔26、 28、 30大致对准。图2图解说明了垫圏20还包括第二金属层32。第二金属层32包 括第一表面36、第二表面38、汽缸区域表面40和外侧边缘44。第二 金属层32还包括凸缘区域46和止动区域48。如图所示，第二金属层 32沿径向R延伸，其中凸缘区域46和止动区域48具有沿轴向A延 伸的部分。在安装图1和2所示垫圏的过程中，凸缘区域46沿轴向A部分 地压缩，从而使凸缘区域46沿轴向A缩短，并且凸缘区域46的一部 分沿径向R产生一些移动。在发动机运转期间，配合表面之间沿轴向 A的相对运动要求凸缘区域46的一部分沿轴向A弹性运动，以便适 当地密封配合表面。凸缘区域46沿轴向A的这种弹性运动导致凸缘 区域46的一部分相对于与第一表面36和第二表面38接触的表面沿径 向R产生微动。当凸缘区域46在表面36、 38处不具有足够的强度时， 就可能发生开裂和微振磨损。为了减少MLS垫圏内的微振磨损、开裂和其他不希望的磨损， 作用层必须具有足够的硬度和强度。为了保证在产生增大的轴向位移 的操作期间凸缘区域持续密封，可以提高凸缘区域的耐久性。为了在金属层32、 132、 134中获得希望的硬度，可以进行冷加工。 优选地，在随后形成金属层32、 132、 134的钢板上进行冷轧加工。在 使用冷加工过程中，金属层32、 132、 134的硬度增大(由于冷作用硬 化)到3/4硬到特硬(350 - 500Hv )的希望范围内。图3图解说明了作为垫圈120的垫圏20的可选实施例。垫圏120包括插在第二金属层132和第三金属层134之间的第一 金属层124。第二金属层132包括第一表面136、第二表面138、汽缸 区域表面140和外侧边缘144。第二金属层132还包括凸缘区域146 和止动区域148。第三金属层134包括第一表面156、第二表面158、 汽缸区域表面160和外侧边缘164。第三金属层134还包括凸缘区域 166和止动区域168。为了提高金属层24、 32、 124、 132、 134的强度，进行氮化。尽 管可以利用液体和等离子氮化，但是优选地使用气体氮化。气体氮化 是常用工艺，其使加热金属部件暴露在富氮介质，例如无水氨中。在 氮化过程中，氮原子从介质中脱离并与铁原子结合以在金属中产生扩 散层。金属部件受热(典型地，540度以下)以使钢保持在当前情况 下，并促进氮-铁反应。因此，氮化在钢，例如301不锈钢的临界温 度范围以下完成，不涉及钢的剧烈相变。至少凸缘区域46、 146、 166的氮化形成FexN扩散层，其提高了 金属层32、 132、 134的强度，从而减少了微振磨损。尽管氮化在凸缘 区域46、 146、 166内是最有利的，但优选地是，金属层32、 132、 134 的所有部分被氮化。根据本专利技术的氮化获得了高表面硬度、提高了耐磨性，延长了疲 劳寿命。氫化还提高了材料的耐久性和抗开裂性。尽管金属层32、 132、 134优选地涂覆有已知弹性体化合物以增强密封性，但是氮化作用层 降低了对弹性体的依赖以在垫圏的寿命期间保持有效密封。根据本发 明制造的改进垫圏还可用于在汽缸盖组件和排气歧管之间进行密封， 因为硬化的作用，氮化层在其他应用中同样产生减少的微振磨损。等离子或离子氮化不涉及单独加热要氮化的部件，而是通过将金 属部件放在真空中，并利用高压电能形成等离子进行，其中通过所述 等离子，促进氮原子轰击到部件上。尽管氮原子冲击到金属部件表面 上将加热部件，但是等离子氮化提供了用于氮化的低温选择，其可以 产生更小的变形。可以使用遮蔽技术选择性地氮化金属部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层钢垫圈，包括：具有至少凸缘区域和进行氮化处理的表面的金属层，其中，所述金属层不受在临界温度范围以上对所述金属层进行加热的热处理。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：F波皮拉斯，
申请(专利权)人：达纳公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]