活塞环及用于制造活塞环的方法与流程

本发明涉及用于活塞环的耐磨损涂层，特别是涉及用于具有大活塞直径的马达的活塞环的耐磨损涂层，以及用于制造这种环的方法。

背景技术：

大容量内燃机主要用于固定装置或船用马达。由于与这种发动机相关的长操作时间，因此对其中使用的部件的耐磨损性提出了特别高的要求。这尤其涉及活塞环，该活塞环由于操作期间的摩擦磨损而承受高应力，并且更换活塞环由于必然的停机时间而是复杂且昂贵的。

活塞环上的摩擦磨损首先发生在环运行表面上，该环运行表面与缸壁接触，以及其次发生在环侧面上，该环侧面与活塞的环形凹槽的壁接触。在压缩环处于操作循环的情况下，已知下环侧面，即背离内燃机的侧面，与凹槽的下壁接触，其中燃烧气体通过介于活塞环的上环侧面与活塞环后面的凹槽的上壁之间的间隙而流入介于凹槽底部和环内部之间的空间中。这在环上产生压力，导致在环上产生向外指向的力，从而加强环的运行表面和缸壁之间的密封效果。环侧面上的磨损导致燃烧气体能够通过活塞环的背离燃烧室的侧而在环侧面和环凹槽的壁之间通过，使得环上的压力也降低，并且因此，环面和缸壁之间的密封效果受到额外损害。

因此，为了确保在长操作寿命期间的密封效果，不仅需要将活塞环的环面设计成耐磨损的，而且环侧面必须具有高耐磨损性。因此，环侧面的硬化或镀铬在现有技术中是已知的。

由于越来越严格的环境要求以及实现尽可能低的燃料消耗的愿望，该目的是进一步改进摩擦性能，即特别是用于大活塞发动机的活塞环的磨损、摩擦和腐蚀。

技术实现要素：

根据本发明，该问题通过一种活塞环来解决，该活塞环包括灰铸铁的环本体，其中环本体在至少一个环侧面上具有莱氏体结构的区域，该莱氏体结构的区域延伸至环面边缘并进入环面中，并且其中防磨损层已经被施加到环面，即也覆盖了莱氏体结构的区域的面。

根据本发明的另一方面，环本体可以在环面上具有在整个环面上延伸的莱氏体结构的区域。

根据另一方面，该防磨损层呈热喷涂层、通过激光施加的硬物质涂层、铬扩散层、pvd层或dlc层的形式。

根据另一方面，防磨损层可以在位于环面与至少一个环侧面之间的边缘上(沿着圆周)连续地延伸。

根据另一方面，背离内燃机的环侧面可以设置有莱氏体结构的区域，其中优选地，两个环侧面都设置有莱氏体结构的区域。

根据另一方面，该莱氏体结构的深度/厚度可以介于0.05mm与1.5mm之间，优选地介于0.15mm与1.0mm之间，更优选地，介于0.3mm与0.7mm之间。

根据另一方面，莱氏体结构的厚度可以沿径向方向变化，或者深度可以在径向上朝向外侧增加。

根据另一方面，莱氏体结构的深度和/或厚度可以沿周向方向变化，但深度优选地在抵接端部处增加。

根据另一方面，莱氏体结构的区域可以在至少一个整个环侧面上延伸。

根据另一方面，在径向上位于内侧的至少一个环侧面的区域可以不具有任何莱氏体结构，但是在径向上位于内侧的区域优选地延伸超过环本体的径向厚度的1/3，更优选地超过环本体的径向厚度的2/3。

根据另一方面，环面与至少一个环侧面之间的边缘可以具有倒角。

根据另一方面，环面与至少一个环侧面之间的边缘可以被倒圆角，其中该圆角优选地具有1mm至3mm的半径。

根据另一方面，倒角和/或圆角的尺寸可以沿圆周方向变化。

根据另一方面，环面可以具有球形形状或偏斜的球形形状。

根据另一方面，抵接表面可以具有莱氏体结构的区域，优选地，该莱氏体结构的区域延伸至径向外侧边缘。

根据另一方面，抵接表面可以至少部分地设置有防磨损层，该防磨损层优选地延伸至径向外侧边缘。

根据本发明，该问题另外通过一种用于制造活塞环的方法来解决，该活塞环具有莱氏体重熔灰铸铁结构和/或莱氏体结构。该方法包括用灰铸铁制造环本体并对环本体的至少一个环侧面的区域进行重熔，以在该至少一个侧面上形成莱氏体重熔灰铸铁结构。该方法另外包括去除环本体的环面上的材料，直到暴露出环面上的奥氏体重熔灰铸铁结构。最后，将防磨损层施加到环面。防磨损层的施加在环面的区域中形成交叠区域，其中防磨损层施加到先前暴露于环面的莱氏体结构。

在该方法的一种实施方式中，该方法另外包括以下步骤：在对至少一个环侧面的区域进行重熔之后并且在施加防磨损层之前对环本体进行无应力退火。在重熔过程中，在莱氏体结构下面制造热影响区域，其中可以在环本体中高应力占优势。通过无应力退火可以消除这种热影响区域。优选地，在环切开以获得抵接端部之前进行重熔和无应力退火。

根据另一方面，无应力退火的温度可以为45℃至600℃，优选地为500℃至540℃，更优选为510℃至530℃，并且该无应力退火的温度可以保持达1小时至4小时，优选地保持达1.5小时至3小时，更优选地保持达1.8小时至2.3小时。

在该方法的另一实施方式中，重熔包括环本体的径向厚度的20％至30％的径向范围。在环本体的外侧边缘之间存在距离，其中该距离确保在重熔期间边缘不受损害并且该距离接近约1mm。这里，20％至30％是从环本体的外侧边缘测量的。

根据另一方面，可以通过用从激光束、电子束、电子电弧焊、等离子焊和钨惰性气体焊中选择的高能辐射轰击材料来完成重熔。

作为另外的步骤，活塞环和/或环本体可以在制造期间被切开。在这些情况下，环本体将被铸造成闭合环，优选地在重熔步骤之后并且在刮削去除环面的步骤之前切开该闭合环。如果进行无应力退火，则优选地，在无应力退火之后并且在刮削去除环面之前切开该环。

在该方法的另一实施方式中，环面通过激光熔覆或高速火焰喷射或借助于pvd或cvd或电镀而涂覆有防磨损层。

在该方法的另外的实施方式中，可以对环本体进行机加工以改变截面。因此，例如，最初为矩形的环截面可以被铣削或磨削以形成基本上梯形的环截面。

用于制造活塞环的方法的另一实施方式包括重熔抵接表面的至少一部分，以在抵接表面处产生莱氏体重熔灰铸铁结构。莱氏体重熔灰铸铁结构具有对燃烧气体的增强的抵抗力，这就是重熔抵接表面能更好地防止化学腐蚀的原因。这里同样地，可能是有利的是，如果抵接表面没有完全重熔而是仅一个表面完全重熔，该重熔在背离抵接表面的边缘大约一毫米处结束，以防止抵接表面的边缘熔化和不希望的圆角或在抵接表面的边缘发生材料逃逸。

在该方法的另一实施方式中，该方法包括在重熔之前预加热环本体的另外的步骤。因此，可以在重熔期间调节重熔深度特别是热影响区域的尺寸，并且特别是凝固行为，特别是凝固速率。

另一实施方式包括重熔该环面以在该环面处形成莱氏体结构。

在该方法的另一实施方式中，该方法包括在重熔步骤之后将至少一个环侧面(优选地两个环侧面)磨削至0.5-1.0μm的粗糙度ra。另外，该方法可以包括对环本体进行磷化。

根据本发明的另一方面，还提供了一种根据上述方法中的任一方法制造的活塞环。

附图说明

下面参考附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。

图1示出了根据本发明的活塞环的结构的轴向剖视图。

图2示出了根据本发明制造的活塞环的截面的照片。

图3a至图3g示出了根据本发明的用于制造可能的活塞环活塞环的方法的示例性实施方式的步骤。

以下在描述和附图中对于相同或相似的元件或组件使用相同的附图标记。此外，存在对所有图都有效的附图标记列表。图中示出的实施方式仅是示意性的，并不代表实际尺寸比。

具体实施方式

灰铸铁材料的结构的实施方式不仅由合金的组分决定，而且在很大程度上由材料凝固过程中的冷却条件决定。所得到的结构，即发生的相和这些相的分布，在很大程度上决定了在使用温度下由铁-碳合金组成的材料的机械性能。

如果铸铁在热力学平衡状态下缓慢凝固，则所得到的结构将主要由铁(fe)和石墨(c)组成，这样的铸铁被称为灰铸铁，根据石墨发生的形式，铸铁可根据片状铸铁、蠕虫状铸铁和有球状石墨的铸铁来区分。如果铸铁凝固得更快，则结果是由铁和碳化铁(fe3c，渗碳体)组成的亚稳态，所谓的莱氏体结构，所谓的白铸铁。莱氏体结构具有比灰铸铁更大的硬度并因此经历较少的磨损，而灰铸铁具有更大的韧性并且因此不易于破裂和/或裂纹传播。

为了获得根据本发明的持久的活塞环，环本体的灰铸铁结构至少部分地重熔以在一个环侧面上形成莱氏体结构，并且另外在环面上涂覆有防磨损层，也覆盖在环面上暴露的莱氏体结构。通过首先在对应位置对环本体的表面进行加热以使其部分熔化以及然后等待直到材料再次冷却来产生莱氏体结构。由于环本体仅表面处熔化，但在内部仍然是冷的和固体的，因此存在“自淬火”效应，其中熔融区域相对快速地冷却，并且因此在表面形成具有莱氏体结构的区域。

图1示出了这种活塞环的示例性实施方式，示出了轴向的截面，即环轴线位于交叉平面(横断面)中。环本体主要由灰铸铁结构2构成。环侧面中的一个环侧面8具有莱氏体结构的区域4，该莱氏体结构的区域延伸至一个环侧面8和一个环面10之间的边缘并且通过将原始的灰铸铁结构进行重熔而制成。防磨损层6已经施加到环面10上。这样，防磨损层6覆盖防磨损层6和莱氏体结构4的交叠区域42中的莱氏体结构4。图1中的防磨损层6的大部分覆盖环本体2的径向外表面，其中存在原始铸铁结构。在图1中，莱氏体结构仅施加于活塞环和/或环本体2的背离燃烧室的下环侧面8，和/或施加于面向活塞环和/或环本体2的曲轴的下侧，因为该区域在操作期间暴露于高应力。

莱氏体结构4的区域可以在整个环侧面上延伸。可替代地，假设环侧面的内部区域在径向上不具有莱氏体结构，并且在径向上处于内侧的该区域优选地延伸超过环本体径向厚度的1/3，更优选地延伸超过环本体径向厚度的2/3。因此，承受特别高应力的外环侧面区域优选地设有莱氏体层。沿径向方向改变莱氏体结构的深度具有类似的效果，其中在此优选的是，深度也在径向上朝向外侧增加。

通常，除了过渡到可能没有莱氏体的区域的过渡区域之外，莱氏体结构的深度介于0.05mm和1.5mm之间，优选地介于0.15mm和1.0mm之间，更优选地介于0.3mm和0.7mm之间。这些设计选项使得可以在环本体的灰铸铁结构的期望韧性和脆性莱氏体结构的耐磨损性之间达到最佳折衷。为了管理沿周向方向不同的应力，还可以想到，沿周向方向改变莱氏体结构的深度。在抵接端部处或在抵接端部的方向上增加的深度在此优选地用于防止可能在抵接端部上发生的更大程度的磨损。

图1仅示出了具有莱氏体结构的区域的一个环侧面，该环侧面优选地是因为在操作期间暴露于更大的应力而背离燃烧室的环侧面。根据另一实施方式，假设两个环侧面都设置有莱氏体结构的区域。可替代地和/或附加地，环面也可以设置有莱氏体结构。

防磨损层6优选地在环面10上延伸，并且莱氏体结构的区域6延伸到环边缘，优选地连续地延伸到环边缘，因此不存在灰铸铁结构，该灰铸铁结构在环面和环侧面之间的环边缘的外侧上可能易于磨损和腐蚀。在位于防磨损层下面具有莱氏体结构层的本体提供了额外的优点：即如果外防磨损层在一个位置被磨掉，则莱氏体结构层用作抑制从该点传播的磨损的支撑物。防磨损层呈热喷涂层、铬扩散层或一些其他物理涂层的形式，该其他物理涂层例如pvd层或dlc层，其中pvd代表物理气相沉积，dlc代表类金刚石碳。也可以通过激光的方式来施加硬的物质层。

环侧面8和环面10之间的边缘在图1中显示为倒圆角的。通过具有均匀过渡的这种实施方式，避免了发生可能损坏脆性防磨损层的应力峰值和/或缺口应力。这进一步由环面10的优选球形或偏斜的球形来支持。这里也可以设想到施加倒角。在两个环侧面都设置有莱氏体结构的区域的一个实施方式中，相应地，另一个环边缘可以设计成相同的方式。

倒圆角区域的半径在1mm至3mm的范围内，但是通常这里的倒圆角区域不具有恒定的半径，而是在中心处具有较小的半径，并且然后变得更平坦，发展成具有更大半径的环侧面和环面。特别地，倒角和/或倒圆角区域的尺寸(即，这里的半径)可以沿周向方向变化。如果活塞环设置有内倒角，则由于在张力下(在安装状态下)在剖面中的干扰，导致环本体的扭曲。这种扭曲对环的后部比在抵接端部处具有更大的影响，这可以导致在防磨损层中沿周向方向的应力差，这种应力差促进可能的损坏。这可以通过在周向方向上倒圆角区域和/或倒角的尺寸的变化来平衡。

另外，抵接表面也可以具有延伸达到抵接表面/环面的边缘的莱氏体结构的区域。莱氏体的相应区域再次设置有防磨损层。如果环面也设置有莱氏体结构，则这实现了以下结果：在径向上，没有大的铸铁结构暴露于外侧上的抵接表面的边缘，从而可以防止可能发源于那里的任何磨损。以这种方式，所有的抵接表面可以由莱氏体结构制成。优选地，抵接表面的在径向上处于外部的区域延伸超过环本体的径向厚度的2/3，以由莱氏体结构组成。同样优选的是，在径向上处于外侧的抵接表面延伸超过环本体的径向厚度的1/3的区域由莱氏体结构组成。

为了制造根据本发明的活塞环，首先由灰铸铁制造环本体，即，铁-碳合金在铸造之后在热力学平衡状态下凝固，从而得到灰铸铁结构。然后在至少一个环侧面上加热并熔化表面的待设有莱氏体结构的区域。这种加热可以通过用高能辐射轰击来完成，其中可以使用例如激光束、电子束、电弧焊、等离子焊或钨惰性气体焊。通常，因为例如用于此目的的激光束具有约1mm至数倍于10mm的直径，整个区域不是被一次性加热，而是环本体在一个位置上被加热，并且待重熔的整个区域被所述环和高能辐射的相对运动所覆盖。这可以通过移动辐射源来实现，例如，通过机器人臂或者由于所述环被可旋转地安装并且所述环被旋转以便覆盖圆形区域，这也允许沿周向方向简单地改变重熔区域的深度。重熔区域的深度由能量输入来决定。

通过自淬火进行冷却，因此不使用淬火介质。这种冷却相对快速地进行，从而形成莱氏体结构，并且活塞环上的一个位置已经处于冷却过程中，而其他位置仍然通过上述方法被加热。

选择环侧面的待重熔的至少一个区域，使得该至少一个区域延伸达到环侧面和环面之间的边缘。除了环侧面之外，还可以为环面提供莱氏体结构，即也对环面进行加热。

为了消除由于加热和随后的冷却而在环本体中产生的任何应力，可以在冷却该环本体之后进行无应力退火。这是在450℃至600℃的温度下进行，优选在500℃至540℃下进行，更优选在510℃至530℃的温度下进行，时间为1小时至4小时，优选地1.5小时至3小时，更优选1.8小时至2.3小时，然后重新进行冷却。然后优选在无应力退火后将环本体切开。

然后从环面10上去除材料，直到莱氏体重熔灰铸铁结构暴露于环面。接下来，将防磨损层施加到环面，施加到包括在那里暴露出莱氏体区域的环面。

此外，在重熔步骤中，环面10也可以被重熔，使得在该位置也暴露出莱氏体重熔灰铸铁结构。由于在这种情况下莱氏体结构已经暴露在环面上，因此在此处去除环面上的材料直到获得所需的形状和/或直到消除在重熔期间发生的变形，特别是在边缘处的变形。

可替代地，也可以在环面处去除材料之后(并且在施加防磨损层之前)进行环面的重熔以产生莱氏体结构。在这里，在环面10和环侧面之间的至少一个边缘上没有加热狭窄区域，即，由于环面上的材料(从环侧面上的重熔区)移除而已经暴露的莱氏体没有被再次熔化。如果需要，可以进行随后的低应力退火。

同样，也可以不为整个环面提供莱氏体重熔灰铸铁结构，而是仅在部分区域中提供莱氏体重熔灰铸铁结构，该区域例如是外围区域，在球形环面的情况下在径向上的最外侧的区域，即该外围区域可与缸壁接触。

如果边缘要设置倒角或倒圆角区域，则在对铸铁重熔以形成莱氏体结构之后进行设置倒角或倒圆角区域。

在对环本体的至少一个环侧面的区域进行重熔之后，对至少一个环侧面的表面进行磨料研磨至粗糙度ra为0.5-1.0μm是另一可能的方法步骤。这进一步降低了环侧面和凹槽壁的磨损。优选地将两个环侧面进行研磨。通过对环本体进行磷化和/或施加磷酸盐层的最终步骤实现耐腐蚀性的改善。

图2示出了由本发明人制造的贯穿铸铁2的活塞环的截面的照片。该活塞环的两个环侧面都设置有莱氏体结构4。图2中的交叠区域42显示在上环面边缘上，即靠近燃烧室。

图3a至图3g示出了用于制造根据本发明的活塞环的一个可能实施方式的方法的示例性实施方式的步骤。

图3a示出了活塞环和/或活塞环坯料16的局部剖视图。闭合的活塞环坯料16的轴线位于页面外的右侧。活塞环坯料16在此形成闭合的环。在此环侧面6表示上环侧面。径向内表面和下环侧面在此没有用单独的附图标记进行标注，以便不使用冗余的元件使该图过载。活塞环坯料16的径向外表面作为环面用附图标记30标注。

在图3b中，上环侧面和下环侧面8的部分被重熔，其中在重熔位置中形成莱氏体结构4。在重熔之前，可以对活塞环坯料16进行加热以优化重熔过程。在具有莱氏体结构4的重熔区的下方和旁边存在热影响区，其中在该铸铁结构中产生应力。

图3c示出了无应力退火之后的情况，其中已经消除了热影响区20。

图3d示出了切开的活塞环坯料16，因此现在将其称为环本体14。由于前面的低应力退火步骤，该环在被切开后不会被扭曲。可以在抵接的端面上看到抵接端部28，尽管该抵接端部28大部分被剩余的活塞环所隐藏。

图3e示出了环本体在被夹持后的环本体，优选地呈非圆的形式，并且在环面已经通过机加工被后缩和/或磨损之后。被磨损的环面区域24由虚线表示。这里去除了至少一毫米的材料。在对环面进行去除之后，来自重熔区的莱氏体结构4暴露在该环面上。还可以夹持环本体呈圆形形式并将该环本体研磨成圆形或非圆形状。

图3f示出了在将防磨损层6施加到环面之后从而形成交叠区域24的活塞环，其中防磨损层6位于莱氏体结构4的上面。防磨损层不覆盖环侧面8或环侧面上的莱氏体结构4。然而，在鼻部、倒角或倒圆角部分(未示出)的区域中以及在环侧面8和环面之间的过渡区域中可能发生偏差。

图3g示出了另一制造步骤，在该制造步骤中先前具有矩形剖面的活塞环已被修改以使该活塞环成为梯形环。上部活塞环侧面和下部活塞环侧面8沿渐缩的表面被磨掉，使得减小了莱氏体结构4的径向尺寸。另外，莱氏体结构的轴向厚度在活塞环的中心方向上减小。如果反向梯形环(其内侧的轴向厚度大于环面上的轴向厚度)被重熔，然后通过机加工被转换成矩形环，也可以实现类似的效果。这使得可以容易地在轴向上实现莱氏体层的厚度的变化。这种转变也可以在将该环切开之前或之后进行。

附图标记的列表

2铸铁结构

4莱氏体结构

6防磨损层

8环侧面

10环面/环面

14环本体

16活塞环坯料

20热影响区

24被磨掉的环面区域

26暴露于环面处的莱氏体结构

28抵接端部

30活塞环坯料16的环面或径向外表面

42防磨损层和莱氏体结构的交叠区域