CN107654644A - 一种用于内燃机活塞的活塞环及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种活塞环(20)，该活塞环具有底面(22)、顶面(24)、内径表面(26)和至少一个跑合面(28)。基本完全由钴制成的防磨损涂层(30)涂覆于至少一个跑合面，以保护活塞环的基底材料。特别地，在发动机的运行过程中，较耐用的钴耐磨涂层会与气缸壁滑动接触，而不是钢或铸铁制成的基底材料与气缸壁滑动接触。钴涂层例如可通过电解沉积或者等离子喷涂进行涂覆。

Description

一种用于内燃机活塞的活塞环及其制造方法
本申请是申请日为2012年11月8日，中国申请号为“CN201280065881.4”(国际申请号为PCT/US2012/064033)的“具有耐磨钴涂层的活塞环”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2011年11月9日提交的题为“具有耐磨钴涂层的活塞环”的第61/557,589号美国临时专利申请的权利，其全部内容作为本申请的一部分且通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及活塞环，更确切的说，涉及用于内燃机的活塞环以及制造该活塞环的方法。
背景技术
内燃机最近的发展导致了发动机燃烧室内压缩压力的增大以及发动机转速的提高。因此，此类发动机的活塞上的活塞环与发动机的气缸壁之间具有更加激烈的摩擦，这可能导致未被保护的活塞环过度磨损，从而造成活塞和气缸壁之间的密封减弱。
用于内燃机的活塞环典型地由铸铁或者钢制材料制成。用于强化铸铁环或者钢环的一种工艺是围绕活塞环的至少外径表面涂覆一层纯铬。由于铬直接接触气缸壁并且防止铸铁或者钢与气缸壁之间摩擦或滑动接触，因此这是有利的。另一种已知的工艺是将含有小于70重量百分比的钴以及其余为铬的涂层涂覆在活塞环的外径表面上。在此类涂层中，铬提供了主要的防磨损功能，而钴则作为铬的粘合剂。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种活塞环，其包括一底面、一顶面、一内径表面和至少一个跑合面。一基本完全由钴制成的防磨损涂层涂覆于该至少一个跑合面。该更耐用的钴防磨损表面防止了活塞环的基底材料在发动机运行过程中与气缸壁滑动接触，从而提高了活塞环的寿命。此外，与未涂覆的活塞环或者具有其它类型涂层的活塞环相比，可见该钴防磨损涂层基本减少了能够流过活塞环的油量。如此，与其他已知的活塞环相比，根据本发明这个方面构造的活塞环改善了性能。
本发明的另一个方面是一种制造活塞环的方法。该方法包括制备具有一底面、一顶面、一内径表面和至少一个跑合面的活塞环的步骤。该方法继而包括将一基本完全由钴制成的涂层涂覆在活塞环的至少一个工作面上的步骤。该钴防磨损涂层例如可通过电解沉积或者等离子喷涂涂覆。这两种工艺都不昂贵，并且因此能够更经济地改善钴防磨损涂层的性能。
附图说明
参阅附图，以及同样参阅以下详细说明，本发明的这些和其它特征和优点将更易于领会和理解，其中：
图1是第一个典型活塞环的立体图；
图2是沿着图1的线2-2剖开的第一个典型活塞环的剖视图；
图3是第二个典型活塞环的剖视图；
图4A-D分别是沿着正面、左侧、右侧和底部剖开的第二个典型活塞环的放大剖视图；以及
图5是从第二个典型活塞环上的涂层中取出的试样的放大剖视图。
具体实施方式
参阅附图，其中所有附图的类似的附图标记用于标记相应的部分，根据本发明的一个方面构造的活塞环20的第一个典型实施例大体如图1所示。如图所示，典型的活塞环20具有底面22、顶面24、内径表面26和外径表面(以下称为“跑合面28”)。活塞环20的基底材料优选为钢或者铸铁，但也可采用其它适合的材料，活塞环20优选地通过机械加工成型，但也可通过任何适合的工艺成型。与传统的活塞环一样，当活塞环适当地安装在内燃机(图中未示)的缸膛(图中未示)内的活塞(图中未示)上时，活塞环20的内径表面 26与活塞中的凹槽密封配合，而且跑合面28与气缸壁的内表面可滑动的接触，因此在活塞和气缸壁之间形成了气密密封。该典型的活塞环20为具有锥形状 (即外径表面28是锥形的)的压缩环。但是，应当理解的是，活塞环20可以是刮油环、护油环或者任何满足需要的活塞环类型并且可以具有一系列不同的形状。
第一个典型活塞环20还包括防磨损涂层30，该防磨损涂层30基本完全由钴组成并且基本仅沿着跑合面28设置，以在发动机运行过程中保护活塞环 20的基底材料。钴涂层30沿着活塞环20的整个圆周设置以防止活塞环20的基底材料与气缸壁接触。如此，由于在发动机运行过程中，更耐用的钴涂层 30与气缸壁摩擦或者滑动接触，而不是活塞环20的基底材料与气缸壁摩擦或者滑动接触，因而增加了活塞环20的寿命。对发动机中活塞环20的第一个典型实施例进行测试，得到了出乎意料的每小时低于0.02盎司的低油耗率，这基本上低于与之相比的未涂覆的活塞环或者具有其它涂层的活塞环。
由于钴涂层30基本仅沿着跑合面28设置，因此钴涂层30的材料成本得以最小化。另外，仅沿着跑合面28设置钴涂层30还可考虑到特定的制造优势，这是因为通过将活塞环20堆叠在另一个活塞环之上并且同时电解沉积或者喷涂它们的跑合面28可以使钴涂层30同时被涂敷于多个活塞环20。
钴涂层30优选地基本由纯钴组成，并且优选地具有介于八至十二微米 (8-12μm)之间的大致均匀的厚度，并且最优选地约为10微米(10μm)。具有10μm厚涂层30的钴涂覆活塞环20的发动机的测试数据产生了极低的磨损率和油耗率。但是，应当理解的是，钴涂层30可具有任何所需厚度。
根据本发明这一方面构造的第二个典型活塞环120大致如图3-5所示，且相同的附图标记增加100以用于表示上述类似的特征。活塞环120的第二个典型实施例通过除了跑合面128以外还涂敷于底面122、顶面124和内径表面 126的钴涂层130与上述的第一个典型实施例加以区分。
第一个典型活塞环成型后，使基底材料具有预定的微观结构。在完成热处理工艺后，在活塞环20上基本仅沿其跑合面28涂覆基本完全由钴组成的防磨损涂层30。
本发明的另一个方面提供了一种制造活塞环20的方法，例如上述的第一个典型实施例。该方法始于制备具有底面22、顶面24、内径表面26和至少一个跑合面28的活塞环20的步骤。该活塞环20例如可以是压缩环、刮油环或者护油圈，可以具有任何所需的形状并且可通过任何适合的成型工艺成型。
该方法继而包括将基本完全由钴组成的防磨损涂层30涂覆在活塞环20 的至少一个跑合面28上的步骤。该方法可另外包括将涂层30除了涂覆于跑合面28之外还涂敷在底面22、顶面24和内径表面26中的一个或多个上的步骤。在一个实施例中，涂覆步骤进一步定义为将涂层30电解沉积至活塞环20 上。在电解沉积过程中，活塞环20的基底材料是带负电荷的并且被浸入带正电荷的钴电解液中，这会导致钴和基底材料之间相互结合。已经发现该电解沉积工艺能够跨越待涂覆的区域提供足够均匀厚度的涂层30。根据另一个实施例，涂覆步骤进一步定义为将涂层30等离子喷涂至活塞环20上。
显然，根据以上教导，本发明在权利要求的范围内还可能具有多种修改和变化，且可通过具体描述之外的方式实现。

Claims (10)

1.一种用于内燃机活塞的活塞环(20，120)，包括一底面(22，122)、一顶面(24，124)、一内径表面(26，126)和一跑合面(28，128)，其特征在于，一由纯钴制成的防磨损涂层(30，130)涂覆于所述跑合面(28，128)。
2.根据权利要求1所述的活塞环(20，120)，其特征在于，所述防磨损涂层(30，130)仅涂覆于所述跑合面(28，128)。
3.根据权利要求1所述的活塞环(20，120)，其特征在于，所述防磨损涂层(30，130)除了涂覆于所述跑合面(28，128)以外，还涂覆于所述底面(22，122)、所述顶面(24，124)和所述内径表面(26，126)中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的活塞环(20，120)，其特征在于，所述防磨损涂层(30，130)涂覆于所有所述底面(22，122)、顶面(24，124)、内径表面(26，126)和跑合面(28，128)。
5.根据权利要求1所述的活塞环(20，120)，其特征在于，所述防磨损涂层(30，130)的厚度为8-12微米。
6.根据权利要求5所述的活塞环(20，120)，其特征在于，所述防磨损涂层(30，130)的厚度为10微米。
7.一种制造用于内燃机活塞的活塞环(20，120)的方法，其特征在于，该方法包括步骤：制备具有底面(22，122)、顶面(24，124)、内径表面(26，126)和跑合面(28，128)的活塞环(20，120)，其特征在于，将由纯钴制成的防磨损涂层(30，130)涂覆在所述活塞环(20，120)的跑合面(28，128)上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述涂覆涂层的步骤进一步定义为将防磨损涂层(30，130)电解沉积在所述活塞环(20，120)的跑合面(28，128)上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将所述涂层除了涂覆于跑合面(28，128)之外，还涂覆在所述底面(22，122)、顶面(24，124)和内径表面(26，126)中的至少一个上的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将所述涂层涂覆在所有所述底面(22，122)、顶面(24，124)、内径表面(26，126)和跑合面(28，128)上的步骤。
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