内燃机的活动系统的金属构件及该金属构件的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及内燃机的活动系统的金属构件（尤其，活塞环）的制造方法以及经历 这种制造方法的金属构件。
[0002] 所述的制造方法构造为：改变构成该金属构件的材料的物理化学属性；提供一部 件，该部件设置成在操作方面具有更大效率以及在使用方面具有更长寿命。
【背景技术】
[0003] 在内燃机（无论是柴油狄塞尔循环型，或者奥图循环型，二冲程或四冲程）中，活 塞环是实现密封套筒和活塞之间的空间的功能的部件，从而使内燃机的其他内部部件与燃 烧室隔热。
[0004] 活塞环径向布置在气缸的底部，防止燃烧气体朝向曲柄箱流出到燃烧室外部并且 避免发动机油以相反方式贯入燃烧室。在单个活塞周围能够具有多于一个的活塞环，非常 常见的是，使用两个或者三个活塞环，它们在活塞的底部平行布置。
[0005] 为了符合效率的作用，活塞环应该具有一个磨光的很平的外部，并且应该有相对 高硬度的材料制成。这是因为，根据实验发现，活塞环的外表面的硬度越高--尤其是接触 套筒的内面的表面，密封方面的效率更大。
[0006] 为了保持环的磨光平坦以及为了使其硬度更大，活塞环（通常由碳钢制成）经历 一个或多个表面处理，诸如：
[0007] PVD-物理气相沉积；
[0008] CVD-化学气相沉积；
[0009] 渗氮；
[0010] (其他）
[0011] 通常，所述的处理通过将外部元素插入金属的晶体结构中间来促进确定的金属表 面中更大的硬度程度。所述的外部元件例如能够是氮原子或者碳原子。
[0012] 应注意的是，所述的磨光方法不干涉金属的内部硬度，也即金属部件的内层的硬 度。这种表面处理通过原始金属（以下称为涂层膜）的晶体结构仅能够修改该部件的外层， 该外层形成测微学厚度膜并且过饱和于外部元素。
[0013] 不过，尽管增加了特定金属表面的硬度程度，但是所述表面处理本身不能够促进 创建高效且寿命长的活塞环。这是因为在执行所述处理之后，活塞环变得非常脆化，尤其是 在金属部件的外层（也即，涂层膜）及芯之间的交叉点处。
[0014] 所述的脆化尤其是由于在所述的两个材料层之间建立的异质化。因为所述的两层 呈现不同材料（一层具有比另一层浓度更大的外部元素），所以它们还公开了不同的物理 属性，诸如膨胀系数、阻力、压缩比等。
[0015] 这正是现有技术的活塞环存在的最大问题。由金属的外层和内层的对比所限定的 用来分隔两层的线能够易于引起破裂。所述的破裂能够通过部件传播，从而引起金属的磨 损/脱附，结果是，引起活塞环的外层的总损失。
[0016] 通过损失其最外层，活塞环的寿命及效率会突降，从而允许燃烧室和发动机组的 最内区域之间不期望的流体交换，增加了活塞环的外面的易磨损性。因此，十分需要有解决 所述的问题的方法。这是通过对活塞环的晶体结构进行物理或者化学处理，提出了旨在增 加活塞环的寿命以及效率的方案。
【发明内容】
[0017] 本发明旨在涉及一种在密封方面持久且有效的活塞环。
[0018] 本发明还旨在涉及一种在密封方面持久且有效的活塞环的制造方法。
[0019] 本发明还旨在涉及一种内燃机的活动系统的金属构件，其在使用方面有效且耐 久。
[0020] 最后，本发明还旨在的概念是内燃机的活动系统的金属构件的制造方法，诸如上 述公开的。
[0021] 发明的简要说明
[0022] 本发明的目的通过内燃机的活动系统的金属构件实现，其特征在于，所述金属构 件经历表面硬化处理，表面硬化处理包括依靠涉及激光的方法在其外表面的至少一部分中 将外部元素渗透到金属的晶体结构中。
[0023] 本发明的目的还通过内燃机的活动系统的金属构件的制造方法实现，其特征在 于，包括一个单个步骤，所述单个步骤包括同时进行的两个操作，即：通过将外部元素渗透 到金属的晶体结构中来执行表面硬化处理；以及通过施加激光至其外表面，在金属的原始 基板和其饱和区域之间形成扩散区域。
【附图说明】
[0024] 将基于附图呈现的实施例来进一步描述本发明，附图示出了 ：
[0025] 图1是活塞环的第一样本的截面图，其经历本发明的处理方法。
[0026] 图2是活塞环的第二样本的截面图，其经历本发明的处理方法。
[0027] 图3是一图表，公开了与现有技术的活塞环相比，本发明的活塞环的材料的阻力 指数和磨损指数。
[0028] 图4是一图表，根据朝向其芯的最外层的分析，公开了构成活塞环的材料的硬度 变化。
【具体实施方式】
[0029] 本发明的活塞环1的制造方法的基本原则在于，在活塞环1的径向外表面施加高 密度的激光。
[0030] 当在正确的条件下施加时，激光引起在环的径向最外层中饱和的外部元素分配在 所述材料的内层中，从而在构成这种环的材料的连续层中创建外部元素的浓度梯度。
[0031] 本说明书的图1和图2公开了活塞环的两个样本的显微图，它们经历本发明的使 用激光的处理。
[0032] 通过所述的两个图像，能够观察到：
[0033] 最外范围，其对应于铝板材3的截面（仅用以允许区别涂层的开始的胶木-上部 黑区域）饱和区域4"或者涂层膜；"基板2"，其对应于原始形式（基本是碳钢）的活塞 环1的金属构成；以及"扩散区域5"，其对应于基板2和饱和区域4之间的混合材料。
[0034] 所述扩散区域5能够定义为饱和区域4和基板2之间的中间层，其形成在对活塞 环1的径向外表面施加激光的方法之后。
[0035] 应该注意的是，当促进基板材料2和涂层膜之间的覆层/合金的形式时，激光溶解 了涂层膜和活塞环1的芯之间起初存在的易于破裂和碎裂的关键点。
[0036] 扩散区域5创建了涂层膜和材料的基板2 (或者芯）的物理属性之间的梯级过渡。 这是贡献于施加激光至活塞环1的主要质量存在的地方。
[0037] 对活塞环1的样本执行的实验示出的是，自活塞环的径向外表面起至高达深度 100微米（深入该环径向的中心），其材料的硬度逐渐降低，如本说明书的图4的图表所示。
[0038] 除了创建扩散区域5之外，因施加激光至活塞环1导致的辅助特征是其径向外表 面中的金属结构的粒度得到改善。
[0039] 在活塞环1的径向外表面中，也即受激光施加影响最大的面中，存在金属的暂时 熔化。该熔化因为仅发生在环的外面的测微学厚度范围内，所以被活塞环1 (处于室温下） 的剩余部分快速冷却。该加热接下来的快速冷却将引起金属结构的粒度降低，该现象称为 粒度改善。
[0040] 通过降低金属结构的粒度的尺寸，激光进一步引起环的断裂阻力的增加。这是由 于粒度尺寸降低的所有金属结构将增加弹性变形限制，从而避免不期望的事情发生，诸如 材料表面的磨损/脱附。
[0041] 在激光施加方法之后，活塞环样本通常示出的是，磨损指数非常高于现有技术的 常规环所呈现的磨损指数，如本说明书的图3的图表示出的。
[0042] 激光应该以一定速度和密度施加以实现环的外层的熔化，但是不会引起元素的蒸 发。值得注意的是，施加激光的速度越低，外层元素的扩散程度越大，结果是，稀释将越大， 也即膜涂层材料的饱和度越低。优选地，施加激光的速度以及密度应该足以形成大约80 μ m 的扩散区域5 (可以考虑30至150微米之间的任何值作为合理值）。
[0043] 但是，施加激光的密度和速度并不是影响环的外面上的施加结果的唯一因素。除 了激光速度和密度之外，影响该处理的效率的其他因素是：激光的入射角度、激光操作空间 的气体以及涂层膜的厚度。
[0044] 优选地，施加激光的最适合参数见于下表中：
【主权项】
1. 一种内燃机的活动系统的金属构件，其特征在于，所述金属构件经历表面硬化处理， 表面硬化处理包括依靠涉及激光的方法在其外表面的至少一部分中将外部元素渗透到金 属的晶体结构中。
2. 根据权利要求1所述的金属构件，其特征在于，包括活塞环（1)。
3. 根据权利要求1所述的金属构件，其特征在于，包括活塞套筒。
4. 根据权利要求1所述的金属构件，其特征在于，包括铁、铝或者由所述的元素之一为 主导所形成的金属合金。
5. 根据权利要求1所述的金属构件，其特征在于，所述外部元素为钴、镍、铬、氮、硼、碳 和它们的混合物。
6. 根据权利要求1所述的金属构件，其特征在于，用以获得外部元素的原料是碳化物、 硫化物、氮化物或者碳黑。
7. 根据权利要求1所述的金属构件，其特征在于，包括放置在涂层膜和所述部件的芯 之间的扩散区域（5)，所述扩散区域（5)的厚度范围为30至150微米之间。
8. -种内燃机的活动系统的金属构件的制造方法，其特征在于，包括一个单个步骤，所 述单个步骤包括同时进行的两个操作，即： -表面硬化处理，包括将外部元素渗透到金属的晶体结构中；以及 -通过施加激光至其外表面，在原始金属基板（2)和其饱和区域（4)之间形成扩散区域 (5)。
9. 根据权利要求8所述的内燃机的活动系统的金属构件的制造方法，其特征在于，施 加至金属构件的外表面的激光以角度45° -90°、施加速度2-20mm/s、功率范围2至8KW以 及离焦范围8至300mm射入其表面上。
【专利摘要】本发明涉及活动系统的金属构件，诸如活塞环(1)，其基本上用单个步骤制造，该单个步骤构造为通过技术方法对金属构件进行表面硬化，同时施加激光至所述金属构件的表面的至少一部分上。
【IPC分类】F16J9-26, F16J9-00, C21D1-38, C21D1-09, C21D1-70, C23C24-10
【公开号】CN104619867
【申请号】CN201380045929
【发明人】德尼斯·德尼斯·弗洛雷斯·弗洛雷斯, 茹利亚诺·阿韦拉尔·阿劳霍
【申请人】马勒金属立夫有限公司, 马勒国际有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2013年9月11日
【公告号】DE112013004441T5, WO2014040155A1