有双涂层的活塞环的制作方法
【专利说明】有双涂层的活塞环
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年11月31日递交的美国临时申请N0.61/747，780的优先权，内容整体合并于此。
【背景技术】
[0003]活塞环的外表面经常涂层以改良环的性能特点，例如通过改变表面的摩擦性质或磨耗特性。一些涂层，例如物理或化学气相沉积涂层等沉积涂层，通常可改良环的插入特性。但是，沉积涂层也可遭受磨损期限的缺点，因此使用所述涂层的环可相对更频繁的需要替换。相比之下，可提供比沉积涂层相对较好的磨损期限和耐久性的其他类型的涂层却不可平稳的插入。
[0004]如此，通常来说活塞环制造商一般必须接受性能上某些损失，基于此选择上述涂层。此外，通过混合涂层来限制上述损失的努力不成功。例如，要获得不同涂层之间适当的结合强度很难，会导致断裂，缺口或应用涂层的其他不足。
[0005]因此，需要改良的活塞环，该活塞环设法解决一定类型的涂层的固有损失，同时允许在大量制造环境下应用的商业实用的方法。
【附图说明】
[0006]虽然权利要求不限制为示出的实施方式，通过对其各个实施方式的讨论可最好的获得各个方面的评价。如今适用于附图，示范性例证详细示出。尽管附图表现各个实施方式，附图不必要测量并且某些特性可夸大以更好的示出和解释实施方式创新的方面。而且，在这里描述的实施方式并非意为详尽的或不然限制或限定为附图中示出并且在下面详细的说明中揭露的精确的形式和构造。通过适用于如下所示的附图详细说明示范性例证。
[0007]图1A示出应用外涂层(例如PVD层)之前的示范性活塞环的横截面视图；
[0008]图1B示出应用外涂层(例如PVD层)之后的示范性活塞环的横截面视图；
[0009]图1C示出根据一个示范性例证有内层并且在内层上有外涂层的示范性完成的活塞环的放大的横截面视图；
[0010]图1D示出图1C的放大部分，示出外层相对于内层和中间层的厚度；
[0011]图2A示出一对现有技术的活塞环在环之间不留缝隙的堆积在一起的横截面视图；
[0012]图2B示出一对示范性活塞环在环之间留缝隙的堆积在一起的横截面视图，留缝隙的堆积是为防止应用的涂层连接相邻的环。
[0013]图3A示出发动机试验程序之前的四个完成的活塞环的外表面，即外涂层；
[0014]图3B示出图3A的四个示范性完成的活塞环在发动机试验程序之后的外表面，即外涂层；
[0015]图4A示出发动机试验程序之前的示范性完成的活塞环的外表面(即外涂层)的放大视图；
[0016]图4B示出图4A中的示范性完成的活塞环在发动机试验程序之后的外表面(即外涂层)的放大视图；并且
[0017]图5示出应用内涂层和外涂层至活塞环的示范性过程的过程流程图。
【具体实施方式】
[0018]在这里提供活塞环的示范性例证，该活塞环包括由金属材料形成的基部，和在活塞环对立的两侧之间延伸的外接触表面。示范性活塞环可包括应用至外接触表面的涂层，该涂层包括内层和外层。
[0019]示范性例证也指示制造活塞环的方法。在一途径中，该方法包括提供由金属材料形成的基部，应用内层至基部的外表面，并且在内层的上方应用外层。
[0020]如今适用于图1A至1D，根据示范性例证示出活塞环的各种横截面视图。示范性活塞环100可由基础金属材料101形成，例如钢铁。示范性活塞环可使用于活塞的外周向槽(未示出)。活塞可在发动机组(未示出)内接收来限定内孔表面或汽缸套表面。
[0021]如图所示，活塞环可包括下表面102，上表面104，和内表面106。环径向最外的表面108可包括示范性涂层，该示范性涂层包括内层I 1a和外层I 1b (统称为涂层110)。上表面104和内表面106分别以没有涂层示出，然而下表面102包括耐磨涂层112。此外，上表面，下表面，和内表面中的任意一个或多个可涂上任何便利的涂层。
[0022]在图1C和ID中可最好的看出，在外表面上的示范性两层或双层涂层110可包括两层明显的层110a，110b。更加特殊的是，内层IlOa或涂层可形成为相对密度较高，无孔的涂层110a。在一实施方式中，内涂层IlOa为热喷涂层，例如应用超音速含氧燃料(HVOF)处理。另外，在图1B和IC中可最好的看出，内层IlOa可嵌入外表面108。更加特殊的是，内涂层IlOa可应用在外表面108的插入区域114。
[0023]涂层的外层IlOb也可应用在内涂层IlOa上，如图1C和ID所示。在一示范性途径中，外涂层IlOb为沉积涂层，即物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)，或类金刚石(DLC)涂层。在另一示范性例证中，相对较薄的气相沉积涂层外层IlOb(例如约为10到15 μπι的PVD涂层)应用在相对较厚的内层IlOa上，例如100到150 μπι的HVOF材料。在另一示范性例证中，外层IlOb可包括厚度约为5到40 μπι，然而内层IlOa可包括厚度约为25 至丨J 300 μ m0
[0024]—般说来，PVD涂层提供极好的插入特性和耐磨性。一旦PVD涂层磨透，内层提供极好的磨损期限。在此实施方式中，提供相对较薄的10 μπι外气相沉积层在内HVOF层上可导致比单层的，相对较厚(例如30 μπι)没有内HVOF层的气相沉积层约双倍的磨损期限。
[0025]如在图1D中可最好的看出，相对较薄的中间层IlOc可呈现在外层IlOb和内层I 1a之间。在一示范性例证中，中间层约为外层IlOb厚度的十分之一。在另一实施方式中，中间层IlOc约为1.4 μπι然而外层IlOb约为14.5 μπι厚。中间层IlOc可由在内层IlOa上方应用氮化铬PVD层造成。更加特殊的是，中间层IlOc可为铬系层110c，该铬系层IlOc在示范性氮化铬材料的PVD应用处理期间生成，导致外PVD层，例如外层110b，和内HVOF层，例如层110a，之间的纯正铬层110c。
[0026]在以下示范性例证中，环之间的间断或缝隙可用于在应用至堆叠在彼此上方的环时防止涂层连接。例如在图2B中可最好的看出，缝隙200可沿着活塞环100的上方周向外边缘116提供，例如通过斜切外上角。相比之下，如图所示外直径表面的下角118可保持相对较锋利，因此例如增加下角118的刮擦能力，并且改良环100在相关的发动机孔面(未示出)刮油的能力。在一示范性例证中，间断200在应用外层IlOb之前立即放入环10a时，例如通过斜切置于环10a的上角116，该外层IlOb例如为PVD外层I1b (在图2A和2B中未示出)。
[0027]可供选择地，例如可斜切下角118以进一步增加堆叠的环100a，10b的外表面108之间的间断。在这种方法中，与以前的一些途径一致，可因此在环的上方外角116和底部外角均提供间断。
[0028]与在沿着示范性活塞环100的外表面提供间断(例如图2B所示)相比之下，图2A示出的一个以前的途径并不提供所述间断，这样导致相邻的环300a，300b之间应用的涂层(在图2A中未示出)更大的可能性出现架桥。换句话说，环300a，300b相邻的各个角316，318可通过在环300a，300b的各个外表面308a，308之间持续延伸的涂层非故意地相连。
[0029]如在图3A，3B，4A和4B中可最好的看出，示范性环100的发动机试验表露出示范性环100的外层IlOb缺少微细破裂或其他不足。更加特殊的是，如图所示在图3B(和图4B，图4B为放大视图)中示出的外层IlOb的外表面与在图3A(和图4A，图4A为放大视图)中示出的试验之前的外层IlOb的外表面相比相对未受损坏。此外，接触痕迹为连续的并且沿着外层IlOb没有微细破裂的迹象。这种成功与以前的途径相反，以前的途径一般造成外PVD层和内层的黏合问题，或外PVD层的破裂。
[0030]如上所述，示范性内涂层IlOa可包括热喷涂或HVOF涂层，仅如例子所示。热喷涂层可直接应用至活塞环100的外表面108。在一些实例中，活塞环100的外表面108可在应用热喷涂层之前粗糙化。也可需要粘合涂层在应用热喷涂层之前应用在活塞环100的外表面 108。
[0031]示范性热喷涂层可由任何合适类型的合金，多相合金，和/或其组合。所述材料的例子包括但不限于铜合金、铁合金、镍合金、钴合金、钼合金、锡合金和铝合金。示范性热喷涂层可如所述应用，以致涂层基于发动机类型和/活塞类型有合适的厚度。如上所述，在一示范性途径中，用作内层IlOa的热喷涂层可有范围约为100到150微米的厚度。
[0032]热喷涂层可用以下热喷涂应用方法应用，仅如例子所示:HV0F，电弧喷涂，和/或火焰喷涂。选择用于形成可取的热喷涂层IlOa的材料可如所述引入喷涂装置，以致材料熔化或部分熔化。因此，当材料接触活塞环的径向外表面时，形成热喷涂层。由于热喷涂的应用，可使用高性能材料。
[0033]一般来说，热喷涂层可用热喷涂枪(未示出)应用至活塞环的外表面108。在一些情况下，可取的是在外表面108上应用粘合涂层(未示