选择性氮化的活塞环

专利摘要:
本申请提供了选择性氮化的活塞环。所述活塞环用于在内燃机的活塞的活塞环槽中使用。所述活塞环的活塞环本体(5)具有外圆面(1)、内圆面(2)、上侧面(3)、下侧面(4)，所述活塞环本体(5)经过氮化处理而形成有氮化层(6)，所述活塞环本体(5)的表面上设置有耐久涂层(7)。所述下侧面(4)形成有所述氮化层(6)，所述外圆面(1)未形成有所述氮化层(6)但设置有所述耐久涂层(7)，所述耐久涂层(7)和所述活塞环本体(5)之间设置有使所述外圆面(1)不能被氮化的保护层(8)。
公开号:CN214330767U
申请号:CN202120488012.9U
申请日:2021-03-08
公开日:2021-10-01
发明作者:蒋文涛
申请人:Mahle Automobile Technology China Co ltd；
IPC主号:F02F5-00

专利说明:
[n0001] 本申请属于汽车配件技术领域，具体涉及选择性氮化的活塞环。
[n0002] 活塞环是内燃机的关键零件之一，在内燃机中起到密封、润滑、导热和定位的作用。活塞环安装在活塞的活塞环槽上，同时活塞环又与气缸内壁(缸套)接触。活塞环-缸套经常处于高温、高压、高冲击载荷状态，工作条件十分严峻。
[n0003] 活塞环的耐磨性和硬度对保证内燃机的工作性能、延长其运转寿命和降低维护费用等具有重要意义。如图1所示，现有技术可以通过对活塞环本体5进行氮化处理，在活塞环本体5的表面形成氮化层6，增加活塞环的硬度。然后在活塞环本体5的特别是外圆面1(工作面)的氮化层6上采用PVD/DLC(物理气相沉积/类金刚石镀膜)等方法设置耐久涂层7(例如氮化铬)，增加活塞环的耐磨性。
[n0004] 氮化层6增加活塞环硬度的同时会使活塞环变脆，对于外圆面1则不希望存在氮化层6。现有技术中还有一种活塞环，其加工方式为先在活塞环的外圆面设置耐久涂层，然后再进行氮化处理，使得外圆面没有氮化层。
[n0005] 这种方法得到的活塞环具有如下缺点：1.氮化温度较高且氮化过程中活塞环会受热变形，温度与活塞环的变形会对耐久涂层与活塞环的结合性造成影响；2.先设置耐久涂层后氮化处理，难以控制活塞环(特别是具有耐久涂层的外圆面)的形状。
[n0006] 针对现有技术提到的活塞环中氮化层和耐久涂层的设置问题，本申请提供了选择性氮化的活塞环。
[n0007] 本申请提供的选择性氮化的活塞环用于在内燃机的活塞的活塞环槽中使用，所述活塞环的活塞环本体具有外圆面、内圆面、上侧面、下侧面，所述活塞环本体经过氮化处理而形成有氮化层，所述活塞环本体的表面上设置有耐久涂层，
[n0008] 所述下侧面形成有所述氮化层，所述外圆面未形成有所述氮化层但设置有所述耐久涂层，所述耐久涂层和所述活塞环本体之间设置有使所述外圆面不能被氮化的保护层。
[n0009] 在至少一个实施方式中，所述内圆面未形成有所述氮化层，所述内圆面设置有使所述内圆面不能被氮化的保护层。
[n0010] 在至少一个实施方式中，所述耐久涂层的设置方式包括物理气相沉积、类金刚石镀膜技术、金刚石陶瓷复合镀、陶瓷复合镀，
[n0011] 所述耐久涂层包括氮化铬层、氮化钛层、类金刚石镀层、金刚石陶瓷复合镀层、陶瓷复合镀层中的一种。
[n0012] 在至少一个实施方式中，所述保护层为镍层或铬层。
[n0013] 本申请提供的活塞环的加工方法包括：
[n0014] 在活塞环本体上选择性地设置保护层，使得所述活塞环本体的下侧面上不具有使所述下侧面不能被氮化的所述保护层，所述活塞环本体的外圆面上具有使所述外圆面不能被氮化的保护层；
[n0015] 对所述活塞环本体进行氮化处理，使得所述活塞环本体的没有设置所述保护层的表面形成氮化层；以及
[n0016] 在所述外圆面上设置耐久涂层。
[n0017] 在至少一个实施方式中，所述加工方法包括在所述活塞环本体的内圆面上设置使所述内圆面不能被氮化的保护层。
[n0018] 在至少一个实施方式中，所述加工方法包括在所述活塞环本体的至少所述外圆面直接设置所述保护层。
[n0019] 在至少一个实施方式中，所述加工方法包括在所述活塞环本体的全部表面设置保护层，然后去除至少所述下侧面的所述保护层。
[n0020] 在至少一个实施方式中，所述耐久涂层的设置方式包括物理气相沉积、类金刚石镀膜技术、金刚石陶瓷复合镀、陶瓷复合镀技术，
[n0021] 所述耐久涂层包括氮化铬层、氮化钛层、类金刚石镀层、金刚石陶瓷复合镀层、陶瓷复合镀层中的一种。
[n0022] 在至少一个实施方式中，所述保护层为镍层或铬层。
[n0023] 基于本申请的上述一个或多个实施方式，本申请通过在活塞环的外圆面设置耐久涂层并且不形成氮化层，在活塞环的下侧面形成氮化层，得到了选择性氮化的活塞环，优化了活塞环中氮化层和耐久涂层的设置，提高了活塞环的耐久。
[n0024] 本申请解决或改善了先设置耐久涂层后进行氮化处理而引发的耐久涂层与活塞环的结合性不良的问题，以及活塞环的形状控制问题，提高了活塞环的耐久。
[n0025] 图1示出了一种现有技术的包括氮化层和耐久涂层的活塞环的截面示意图。
[n0026] 图2示出了根据本申请实施方式的活塞环本体的截面示意图。
[n0027] 图3a示出了根据本申请实施方式的外圆面具有保护层的活塞环的截面示意图。
[n0028] 图3b示出了根据本申请实施方式的外圆面和内圆面具有保护层的活塞环的截面示意图。
[n0029] 图4a示出了对图3a中的活塞环进行了氮化处理后的活塞环的截面示意图。
[n0030] 图4b示出了对图3b中的活塞环进行了氮化处理后的活塞环的截面示意图。
[n0031] 图5a示出了对图4a中的活塞环的外圆面设置耐久涂层后的活塞环的截面示意图。
[n0032] 图5b示出了对图4b中的活塞环的外圆面设置耐久涂层后的活塞环的截面示意图。
[n0033] 图6示出了根据本申请实施方式的外圆面设置有耐久涂层并且没有形成氮化层，下侧面形成有氮化层的活塞环的截面示意图。
[n0034] 附图标记说明
[n0035] 1外圆面；2内圆面；3上侧面；4下侧面；5活塞环本体；6氮化层；7耐久涂层；8保护层；
[n0036] A轴向；R径向。
[n0037] 下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
[n0038] 一般情况下，内燃机包括燃烧室、气缸、曲轴箱以及位于气缸中的活塞。活塞头部具有活塞环槽，活塞环槽上装有活塞环。活塞环可以同时与气缸内壁(缸套)和活塞环槽接触，在活塞的带动下在气缸中做往复运动。
[n0039] 本申请提供了选择性氮化的活塞环或活塞环的加工方法。如图2所示，活塞环本体5具有外圆面1、内圆面2、上侧面3、下侧面4。可以理解，各附图中示出了完整的活塞环的轴向截面的一半，对于该截面形状，附图也仅是示意性的，该截面形状不限于图中所示的矩形形状。
[n0040] 为方便描述，本申请中将活塞环朝向燃烧室(图中未示出)的面称为上侧面3，将活塞环朝向曲轴箱(图中未示出)的面称为下侧面4。将活塞环朝向气缸内壁(图中未示出)的面称为外圆面1(又叫工作面，运行面)，将活塞环朝向活塞(图中未示出)的面称为内圆面2。可以理解，外圆面1和内圆面2在径向R上相对，上侧面3和下侧面4在轴向A上相对。然而，活塞及环塞环的使用姿态不限于此。
[n0041] 如图2至图6所示，活塞环本体5经过氮化处理而形成有氮化层6，活塞环本体5的表面上设置有耐久涂层7。
[n0042] 活塞环本体5可以包括基材和特别是位于外圆面1的过渡层(未示出)。基材可以为钢，过渡层可以是铬层。过渡层具有合适的硬度，使得硬度较高的耐久涂层7可以通过过渡层设置于基材上。
[n0043] 本申请中将活塞环本体5经过氮化处理后，在活塞环本体5表面形成的硬化层称为氮化层6。本申请将通过PVD、DLC、金刚石陶瓷复合镀、陶瓷复合镀技术等方法设置的例如氮化铬层、氮化钛层、类金刚石镀层、陶瓷复合镀层、金刚石陶瓷复合镀层等耐磨的镀(涂)层称为耐久涂层7。
[n0044] 如图5a、5b、6所示，本申请中活塞环本体5的下侧面4形成有氮化层6，外圆面1未形成有氮化层6并且设置有耐久涂层7。即，外圆面1的耐久涂层7和基材之间没有氮化层6的过渡。可以理解，耐久涂层7可以通过前述的过渡层设置在基材上。
[n0045] 进一步地，本申请中外圆面1上的耐久涂层7和活塞环本体5之间设置有使外圆面1不能被氮化的保护层8。保护层8可以为镍层或铬层。如果保护层8为铬层，则可以将铬层作为过渡层。
[n0046] 保护层8的设置工序在氮化处理工序之前，通过保护层8的阻挡，活塞环本体5在进行氮化处理后，被保护层8保护的部位就未形成氮化层6，而避免了氮化层6使活塞环本体5的特别是外圆面1变脆的问题。
[n0047] 加工上述活塞环的方法包括如下步骤：
[n0048] 如图3a、3b所示，选择性地设置保护层8，使得下侧面4上不具有使下侧面4不能被氮化的保护层8，外圆面1上具有使外圆面1不能被氮化的保护层8；
[n0049] 如图4a、4b所示，对活塞环进行氮化处理，使得活塞环本体5的没有设置保护层8的表面形成氮化层6；以及
[n0050] 如图5a、5b所示，在外圆面1上设置耐久涂层7。
[n0051] 内圆面2也可以设置使内圆面2不能被氮化的保护层8，避免内圆面2因氮化处理而变形。可以在内圆面2和外圆面1都设置保护层8，使内外圆面都不被氮化，内外圆面力学状态更相似，是更为优选的实施方式。
[n0052] 可以理解，加工方法可以包括在活塞环本体5的至少外圆面1设置保护层8。加工方法还可以包括在活塞环本体5的全部表面设置保护层8，然后去除至少下侧面4的保护层8。即可以在不希望被氮化的表面设置保护层，或者先在活塞环本体5的全部表面设置保护层，再除去希望被氮化的表面的保护层。
[n0053] 通过上述加工方法，将保护层8选择性地设置在活塞环本体5的面上，使得氮化处理后的氮化层6可控地形成于活塞环本体5。即，活塞环被选择性氮化，至少外圆面1不形成氮化层，下侧面4形成氮化层。
[n0054] 可以理解，在氮化处理后，设置耐久涂层7的工序之前，如果保护层8裸漏在外，则保护层8可以去除，或者不作处理。
[n0055] 可以理解，在本领域技术人员的常识中，过渡层使得即使没有氮化层6的过渡，耐久涂层7依然能够直接设置于活塞环本体的外圆面1。发明人发现，在形成保护层8(特别是镍层)之后再进行氮化，不会使镍层与基材之间的结合性变差。可选地，在氮化处理之后，设置耐久涂层7之前，可以将保护层8磨掉。
[n0056] 现有技术中还存在一种活塞环的加工方法，其先将活塞环本体5整体氮化，然后将外圆面1的氮化层6磨去，最后设置耐久涂层7。相比于本申请提到的设置保护层8使得例如外圆面1不具有氮化层6的方式，现有技术逐一磨去氮化层6工序复杂，且会在一定程度上破坏活塞环的形状，效果不好。
[n0057] 通过选择性氮化活塞环的面，优化了活塞环中氮化层和耐久涂层的设置，至少使得活塞环的外圆面具有耐久涂层的同时没有氮化层。解决或改善了先设置耐久涂层后进行氮化处理而引发的耐久涂层与活塞环的结合性不良的问题，以及活塞环的形状控制问题，提高了活塞环的耐久。
[n0058] 以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

权利要求:
Claims (4)
[0001] 1.一种选择性氮化的活塞环，所述活塞环用于在内燃机的活塞的活塞环槽中使用，所述活塞环的活塞环本体具有外圆面、内圆面、上侧面、下侧面，所述活塞环本体经过氮化处理而形成有氮化层，所述活塞环本体的表面上设置有耐久涂层，其特征在于，
所述下侧面形成有所述氮化层，所述外圆面未形成有所述氮化层但设置有所述耐久涂层，所述耐久涂层和所述活塞环本体之间设置有使所述外圆面不能被氮化的保护层。
[0002] 2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述内圆面未形成有所述氮化层，所述内圆面设置有使所述内圆面不能被氮化的保护层。
[0003] 3.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述耐久涂层的设置方式包括物理气相沉积、类金刚石镀膜技术、金刚石陶瓷复合镀、陶瓷复合镀，
所述耐久涂层包括氮化铬层、氮化钛层、类金刚石镀层、金刚石陶瓷复合镀层、陶瓷复合镀层中的一种。
[0004] 4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，
所述保护层为镍层或铬层。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202120488012.9U|CN214330767U|2021-03-08|2021-03-08|选择性氮化的活塞环|CN202120488012.9U| CN214330767U|2021-03-08|2021-03-08|选择性氮化的活塞环|